در جست و جوی فروالکتریک‌ها

مواد فروالکتریک ازخودشان یک قطبش الکتریکی خود­‌به خودی نشان می­دهند (قطبش الکتریکی جمیع دوقطبی‌های الکتریکی در واحد حجم است).‌ به طور کلی‌جهت‌ قطبش‌الکتریکی، توسط یک میدان‌الکتریکی ‌اعمال شده می‌تواند برعکس ‌شود. وارونه شدنِ جهتِ بردارِ ‌قطبش ‌‌الکتریکی‌‌ مشابه وارونه ‌شدنِ جهتِ‌ گشتاور ‌مغناطیسیِ ‌خودبه‌خودی‌ توسط یک میدانِ ‌مغناطیسی‌ ‌است.

 در جست‌وجوی‌ مواد فروالکتریک‌ جدید‌ با ویژگی‌های‌ بهتر ‌از موادِ کنونی در دسترس، جوزف بنِت و‌همکارانش در دانشگاه روتگِرز ‌در نیوجِرسی گروهی ‌از‌ موادی‌ را که پیش‌بینی می‌شود فروالکتریک باشد مورد بررسی و تحقیق قرار داده‌اند.

در‌اصل هر ماده نارسانا با ساختار قطبی با این شرط فرو‌الکتریک است که انرژی لازم برای تغییر قطبشِ الکتریکیِ ماده به اندازه کافی کوچک باشد (توجه داریم اگر ماده فرو الکتریک نباشد با میدان الکتریکی خیلی ضعیف در نتیجه انرژی کم نمی‌توان قطبش الکتریکی را به آسانی عوض کرد).

پیرو این اصل گروه بنت و همکارانش تصمیم گرفتند ترکیباتی را مورد مطالعه قرار دهند که ساختارهایشان از نوع ساختار ترکیب LiGaGe باشد (یک ساختار شش‌گوشی با کاتیونی که بین صفحات اتمی قرار دارد). این ساختار به خاطر خمش صفحات، ترکیب اتمی و اندازه کاتیون بین صفحات اتمی قطبی می‌باشد (اندازه یون مقدار خمش و به دنبال آن انرژی لازم، ارتفاع سد انرژی پتانسیل، را برای تغییر قطبش الکتریکی کنترل می‌کند).

     J. W. Bennett et al., Phys. Rev. Lett. (2012)  

در مقایسه با ترکیباتِ عناصرگروههای اتمیِ مختلف در‌جدول تناوبی، اکثر ترکیباتی که ساختاری از نوع ساختار LiGaGe دارند به یکی از شش نوع متداول متعلق هستند. بنت ۱۸ ترکیب واقعیِ در دسترس و۷۰ ترکیب فرضی را که تا کنون هرگز تولید نشده‌اند آنالیز کرد. از طریق محاسبات اولیه بنت و همکارانش نشان دادند، ۸ ترکیب از ترکیباتی که کاندیدای ماده فروالکتریک هستند دارای قطبش واتفاع سد پتانسیلِ (منظور انرژی لازم برای تغییر قطبش است) مناسب‌تری در مقایسه با نمونه‌های ماده فرو‌الکتریک موجود مثل  BaTiO3  و  PbTiO3  می‌باشد (لازم به ذکر است هرچه ارتفاع سد پتانسیل مربوط به ماده فرو‌الکتریک کمتر باشد انرژی لازم برای تغییرقطبش ماده فرو‌الکتریک کمتر است).

به غیر از این ۸ کاندیدا برای ماده فرو‌الکتریک، ۶ ترکیب به عنوان ماده فرو‌الکتریک تولید شده‌است همچنین دو ترکیب فرو‌الکتریک دیگر (که تا‌کنون فرضی هستند) می‌توانند در فاز‌های متاپایدار (تحت شرایطی ماده به شکل جامد، مایع یا گاز است در صورتی که ماده به طور معمول در آن شرایط ناپایدار است، این بیان فازهای متاپایدار‌است) بدست‌آیند.

این نتایج لیستِ مواد فرو‌الکتریک شناخته شده را گسترش می‌دهد.

منبع:

Physics - Finding Ferroelectrics