Grundlagen und Anwendungen der Ferroelektrizität. Das Rauschen, ein ebenso interessantes wie störendes Phänomen: 238. Sitzung am 3. Dezember 1975 in Düsseldorf

78 Pages·1976·3.19 MB·German

by  Horst E. Müser

Rheinisch -Westfalische Akademie der Wissenschaften
N atur-, Ingenieur- und Wirtschaftswissenschaften Vortrage . N 261
Herausgegeben von der
Rheinisch-Westfiilischen Akademie der Wissenschaften
HORST E. MUSER
Grundlagen und Anwendungen
der Ferroe1ektrizitat
HEINZ BITTEL
Das Rauschen, ein ebenso interessantes
wie stbrendes Phanomen
Westdeutscher Verlag
238. Sitzung am 3. Dezember 1975 in Di.isseldorf
© 1976 by Westdeutscher Verlag GmbH Opladen
Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag GmbH
ISBN-13: 978-3-531-08261-5 e-ISBN-13: 978-3-322-85685-2
DOl: 10.1007/978-3-322-85685-2
Inhalt
Horst E. Miiser, Saarbrucken
Grundlagen und Anwendungen der Ferroelektrizitat
1. Einleitung............................................ 7
2. Die auffalligsten Erscheinungen der Ferroelektrizitat . . . . . . . . 7
3. Umwandlungen vom Verschiebungstyp................... 11
4. Ordnungs-U nordnungs-U mwandIungen. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 14
5. Experimentelle Untersuchungsmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
a) Dielektrische Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 17
b) NMR-Spektroskopie ................................ 20
c) Lichtstreuung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 23
d) Unelastische Neutronenstreuung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 25
6. Anwendungen ......................................... 26
a) Dielektrische Eigenschaften. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 27
b) Piezoeffekt......................................... 28
c) PyroeHekt ......................................... 33
d) Leitfahigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 33
e) Elektro-optischer Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 34
f) Informationsspeicherung............................. 36
Heinz Bittel, Munster/Westf.
Das Rauschen, ein ebenso interessantes wie storendes Phanomen
Einfuhrung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 39
Schwankungen im thermischen Gleichgewicht . . . . . . . . . . . . . . .. 42
Strombelastete HaIbleiter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 45
Rauscht ein Zweipol starker, wenn kein Gleichgewicht herrscht? 46
Stromrauschen von Schichtwiderstanden .................... , 48
6 Inhalt
Das 1f /-Spektrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 50
Thermische Effekte, thermische Riickkopplung . . . . . . . . . . . . . .. 54
SchluBbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 59
Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 60
Summary............................................... 61
Resume................................................. 62
Diskussionsbeitrage
Professor Dr.-Ing. Herbert Doring; Professor Dr. Horst E. Muser;
Professor Dr. phil. Henricus P. J. Wij"n; Professor Dr. phil. Dres.
h. c. Heinz Bittel; Professor Dr. rer. nat. Karl-August Hempel; Pro
fessor Dr. rer. nat. Rudolf-Wilhelm Larenz; Professor Dr. rer. nat.
Hans-Jiirgen Engel!; Professor Dr. rer. nat. Werner Schreyer. . . . . .. 63
Grundlagen und Anwendungen der Ferroe1ektrizitat
Von Horst E. Muser, Saarbrticken
1. Einleitung
Die Ferroelektrizitat ist ein Gebiet, das sich gegenwartig noch immer
im Wachstum befindet. Die Theorie der Phasenumwandlung steht in der
heutigen Physik mit im Mittelpunkt des Interesses. Die Ferroelektrizitat
liefert hierfiir eine variantenreiche FolIe von Beispielen, die bisher bei wei
tern noch nicht aIle verstanden werden. Die besonderen Eigenschaften
der Ferroelektrika werden bereits in groBem Umfang praktisch ausge
nutzt. Eine Vielzahl weiterer Anwendungsmoglichkeiten befindet sich
noch im Forschungs- oder Entwicklungsstadium. Selbst wenn nicht aIle
diese Arbeiten zu einem erfolgreichen AbschluB gebracht werden konnen,
so ist doch eine wesentliche Ausweitung der Anwendungen mit Sicher
heit zu erwarten.
Es ist unmoglich, ein derart umfassendes Thema in dieser kurzen Ab
handlung auch nur einigermaBen erschopfend darzustellen. Statt dessen
kann hier nur ein kurzer Uberblick tiber die Eigenschaften der Ferro
elektrika mit einer vereinfachten Begrtindung und der Darstellung einiger
wesentlicher Untersuchungsmethoden zur Erforschung ihrer Grundlagen
gegeben werden, an den sich eine Skizzierung der wichtigsten Anwen
dungen und zuktinftigen Anwendungsmoglichkeiten anschlieBt. Unbe
rticksichtigt bleiben dabei die "uneigentlichen" (improper) Ferroelek
trika und die verwandten Gebiete der Antiferroelektrizitat und der in
jtingster Zeit entdeckten Ferrielektrizitat.
2. Die auffiilligsten Erscheinungen der Ferroelektri;::,itiit
J
edermann kennt das Gesetz, daB sich positive und negative Ladungen
gegenseitig anziehen. In ferroelektrischen Kristallen scheint dieses Ge
setz auf den ersten Blick nicht gtiltig zu sein: Ohne auBere Eingriffe
trennen sich Ladungen entgegengesetzten Vorzeichens voneinander. Es
bildet sich eine spontane Polarisation aus. Verschieben sich aber die posi
tiven Ladungen einheitlich in einer bestimmten Richtung, die negativen
Ladungen in der entgegengesetzten Richtung, so entsteht an gegentiber-
8 Horst E. Miiser
liegenden Oberflachen eine Polarisationsladungsdichte, von der elek
trische Feldlinien ausgehen, die einerseits die Polarisation im Material
schwachen, andererseits freie Ladungen aus der Umgebung anziehen,
wodurch die Polarisationsladung kompensiert wird. 1st die Umgebung
verhaltnismaBig gut isolierend, so entstehen feine Domanen (Bereiche mit
unterschiedlicher Richtung der spontanen Polarisation analog zu den
WEIssschen Bezirken in den Ferromagnetika), so daB die Gesamtenergie
aus Streufeld- und Wandenergie minimal wird. Bei Kristallen mit
kurzgeschlossenen Oberflachen ist theoretisch ein Eindomanenkristall zu
erwarten. Tatsachlich treten auch hier infolge von lnhomogenitaten
Domanen auf. 1m Gleichgewicht ist jedoch stets die Polarisationsladung
in der Oberflache durch freie Ladungen kompensiert.
In der Nahe der Temperatur, in der die spontane Polarisation auft ritt,
kann durch schwache auBere Einfliisse eine relativ starke Polarisation
erzeugt werden. In der Nahe der Umwandlungstemperatur sind daher
die Ferroelektrika hoch dielektrisch und stark piezoelektrisch. AuBerdem
treten im ferroelektrischen Bereich bei geringfiigigen Temperaturande
rungen starke Polarisationsanderungen auf, d. h., es ist ein starker pyro
elektrischer Effekt vorhanden. Durch starkere auBere Eingriffe kann die
Richtung der spontanen Polarisation umgepolt werden.
Ferroelektrika sind also Pyroelektrika, deren Polarisation durch auBere
MaBnahmen (elektrisches Feld, mechanische Spannung) umgepolt wer
den kann. In der Regel findet bei einer bestimmten Temperatur To, dem
Curie-Punkt, ein Ubergang von einer ferroelektrischen Tie£temperatur
phase zu einer unpolaren (parelektrischen) Hochtemperaturphase statt.
Bei Annaherung an den Curie-Punkt von hohen Temperaturen her be
obachtet man einen nichtlinearen Zusammenhang zwischen der elektri
schen Feldstarke E und der dielektrischen Verschiebung D, nach Unter
schreitung des Curie-Punktes eine Hystereseerscheinung. 1m allgemeinen
folgt die Dielektrizitatskonstante (DK) in der Nahe des Curie-Punktes
einem Curie-WeiB-Gesetz
C
+ ---
8 = 800 (1)
T-Tc
im paraelektrischen bzw.
+ --C-' -
8 = 800 (2)
T;-T
im ferroelektrischen Gebiet. C und Tc bzw. C' und T; heiBen parelek
trische bzw. ferroelektrische Curie-Konstante und Curie-Temperatur.
Grundlagen und Anwendungen der Ferroelektrizitat 9
Die Phasenumwandlung kann 1. oder 2. Art sein. Einige charakteri
stische Unterschiede sind in Abb. 1 zusammengestellt. Remanente und
spontane Polarisation unterscheiden sich im allgemeinen nur wenig.
Wahrend bei Umwandlungen 1. Art die Curie-Temperaturen Tc und
T~ prinzipiell untereinander und von den durch eine thermische Hy
sterese aufgespaltenen U mwandlungstemperaturen To und T~ verschie
den sind, sollten bei einer Umwandlung 2. Art T" T; und To zusammen
fallen. Tatsachlich ist aber auch bei Umwandlungen 2. Art in der Regel
Tc < To < T;.
a)Oielektrische Nichtline-b) Curie-Weil3-Gesetz c) spontane Polarisation
aritat bzw. sterese
Umwandlung
1. Art E , , ,
, , ,
Te ToT6 T~ T T
1/£
Umwandlung
E
2.Art
1(; ToT~ T To T
Abb. 1: Dielektrische Nichtlinearitiit bzw. Hysterese, CURIE-WEIss-Gesetz und spon
tane Polarisation in der Niihe der Umwandlungstemperatur fUr Ferroelektrika
mit einer Umwandlung I. Art (mit latenter Umwandlungswiirme) und 2. Art
(mit einem Sprung in der spezifischen Wiirmekapazitiit), schematisch.
Die charakteristischen Temperaturen sind stark von KristallstOrungen
abhangig. Daher konnen durch Inhomogenitaten die thermische Hy
sterese und die sprunghafte Anderung der spontanen Polarisation bei
Umwandlungen 1. Art so verschmiert werden, daB die Art der Umwand
lung experimentell nicht ohne wei teres ermittelt werden kann, zumal
durch Verunreinigungen auch bei Substanzen mit einer Umwandlung
2. Art thermische Hystereseerscheinungen verursacht werden konnen.
Die Kristallsymmetrie wird durch die Ferroelektrizitat stets erniedrigt.
Alle Ferroelektrika gehoren zu den 10 pyroelektrischen Kristallklassen.
Orthogonal zur ferroelektrischen Achse sind haufig keine oder nur gering
fiigige dielektrische Anomalien zu beobachten. 1st die parelektrische
Phase kubisch, so konnen in einem Einkristall natiirlich verschiedene