Techniklexikon

ferroelektrische Umwandlung

Festkörperphysik, die Deformation des Gitters in Ferroelektrika unterhalb der Übergangstemperatur T_C (Curie-Temperatur), die einige für das Phänomen der Ferroelektrizität typische Erscheinungen hervorruft. Prinzipiell unterscheidet man Gitterdeformationen, die auf Umordnungen einzelner Ionen beruhen (»Ordnung-Unordnungs-Ferroelektrika«), und solche, die von der Verschiebung eines ganzen Untergitters aus Ionen einer Sorte relativ zu einem anderen Untergitter herrühren (»Verschiebungs-Ferroelektrika«).

Bei einigen Ferroelektrika (z.B. Bariumtitanat) treten unter dem Einfluss eines äusseren elektrischen Feldes weitere Kristallumwandlungen auf, wenn die Temperatur weiter abgesenkt wird (Abb. 1). Makroskopisch kommt es bei BaTiO₃ zu einer elastischen Verlängerung der Elementarzelle in Polarisationsrichtung um 1 % (Abb. 2).

ferroelektrische Umwandlung 1: Relative Lagen der polaren Achsen (dicker Pfeil) in den verschiedenen Phasen von Bariumtitanat-Eindomänenkristallen in Bezug auf die kubischen Achsen. Für die einzelnen Gitter gilt: Kubisches Gitter (T >T_C > 120 °C): Oberhalb T_C ist BaTiO₃ paraelektrisch und hat eine kubische Elementarzelle. Es verhält sich wie ein normales Dielektrikum mit Orientierungspolarisation. Tetragonales Gitter (-5 bzw. +5 °C < T < 120 °C bei Temperaturerniedrigung bzw. -erhöhung): Liegt das elektrische Feld in der skizzierten Weise an, sind zwei Einstellungsmöglichkeiten der Polarisation vorhanden: Die a-Domäne, in der die tetragonale a-Achse parallel zum E-Feld liegt, und die c-Domäne, in der die tetragonale c-Achse parallel zum E-Feld liegt. Die relativen Dielektrizitätskonstanten e_a und e_c unterscheiden sich stark. Orthorhombisches Gitter (-90 bzw. -80 °C < T < -5 °C bei Temperaturerniedrigung bzw. -erhöhung): In dieser ferroelektrischen Phase liegt die polare Achse in der Flächendiagonalen der Elementarzelle. Es existieren drei Einstellungsmöglichkeiten der Polarisation. Rhomboedrisches Kristallgitter (T < -90 °C): Die polare Achse liegt in der Raumdiagonalen. In dieser Modifikation existiert nur eine mögliche Konfiguration der Zuordnung zwischen Polarisationsrichtung und Kristallachsen.

ferroelektrische Umwandlung 2: Nach Abkühlung unter die Curie-Temperatur kommt es bei BaTiO₃ zu einer elastischen Verlängerung der Elementarzelle in Polarisationsrichtung (Übergang von Teilbild a zum Teilbild b).