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Ferroelektrika

Ferroelektrizität beschreibt das Phänomen, dass gewisse Stoffe ein elektrisches Dipolmoment aufweisen ohne das Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes. Ferroelektrizität kommt nur in Kristallen vor, in welchen die kristalline Symmetrie eine polare Achse zulässt. Ferroelektrische Stoffe sind deshalb immer auch piezoelektrisch und pyroelektrisch. Im Unterschied zu piezoelektrischen Stoffen kann die spontane elektrische Polarisation in Ferroelektrika durch das Anlegen einer Spannung um 180° umgepolt werden. Die Vorsilbe "Ferro-" bezieht sich bei den Ferroelektrika nicht auf eine Eigenschaft von Eisen, sondern auf die Analogie zum Ferromagnetismus: Wie bei den Ferromagnetika die Magnetisierung, so verschwindet bei Ferroelektrika die Polarisation bei hohen Temperaturen - das Material ist paraelektrisch. Bei Abkühlung des Materials findet bei Unterschreiten ein Phasenübergang statt, der in der Regel mit einer Strukturveränderung (Verringerung der Kristallsymmetrie) zusammenfällt, und das Material wird ferroelektrisch. Die Polarisation kann durch Anlegen eines externen elektrischen Feldes umgepolt werden und folgt dabei einer Hysteresekurve. Eine wichtige Anwendung von Ferroelektrika sind die ferroelektrischen Arbeitsspeicher (siehe Ferroelectric Random Access Memory - FRAM).
Ferroelektrische Kristalle bilden Domänen. Als Domäne werden Bereiche mit gleicher Polarisationsrichtung bezeichnet. Von Domäne zu Domäne ändert sich die Polarisationsrichtung im Bereich weniger Atomlagen, in denen die Polarisation verschwindet. Die ferroelektrischen Domänenwände sind nur wenige Nanometer (10-9 m) breit. Im Gegensatz dazu ändert sich die Orientierung der Magnetisierung beim Ferromagnetismus schrittweise über einen Bereich von 10 nm und mehr. Wegen der schmaleren Domänenwände können unterschiedlich orientierte Domänen in ferroelektrischen Dünnschichten eine höhere Dichte aufweisen als in ferromagnetischen Dünnschichten. Deshalb erhofft man sich eine höhere maximale Informationsdichte bei der Entwicklung ferroelektrischer Speichermedien.
Die Ferroelektrizität verschwindet auf Grund eines Phasenüberganges oberhalb einer kritischen Temperatur, der sogenannten ferroelektrischen Curie-Temperatur (TC). Oberhalb dieser Temperatur folgt die Dielektrizitätskonstante analog zur ferromagnetischen Suszeptibilität ? dem Curie-Weiss-Gesetz.


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