Hầu hết các vật liệu sắt điện đều có nhiệt độ chuyển pha được gọi là điểm Curie hay nhiệt độ chuyển pha, Tc. Ở nhiệt độ T > Tc, tinh thể không tồn tại tính sắt điện và ngược lại khi nhiệt độ tinh thể T < Tc, nó mang tính sắt điện [29], [47], [48]. Khi nhiệt độ giảm dưới Tc, tinh thể sắt điện sẽ trải qua quá trình chuyển pha từ pha thuận điện sang pha sắt điện, hình 1.12. Nhiệt độ mà tinh thể thay đổi trạng thái từ pha này sang pha khác được gọi là nhiệt độ chuyển pha, Tc. Các nghiên cứu ban đầu về sự chuyển đổi sắt điện đã được tóm tắt bởi Nettleton [49].
Trong khoảng tiệm cận nhiệt độ chuyển pha, các đặc tính nhiệt động bao gồm các hằng số điện môi, đàn hồi, quang học và nhiệt cho thấy ứng xử dị thường trong vật liệu sắt điện, do hình thành một sự biến dạng nhiệt trong tinh thể khi pha thay đổi. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của hằng số điện môi trên điểm Curie (T > Tc) trong đa số các tinh thể sắt điện được xác định bởi định luật Curie-Weiss [50].
Hình 1.12. Mô hình cấu trúc trạng thái pha của PbTiO3: (a) Cấu trúc lập phương (cubic) - Pha thuận điện (paraelectric) khi T > Tc; (b) Cấu trúc tứ diện (tetragonal) - Pha sắt điện
(ferroelectric) khi T < Tc.
Bởi vậy, nhiệt độ chuyển pha cũng là một đặc trưng quan trọng của vật liệu sắt điện. Tính chất sắt điện chỉ có thể xảy ra ở dưới Tc (điểm Curie), khi đó năng lượng định hướng các mô men lưỡng cực thắng thế so với năng lượng nhiệt. Ở nhiệt độ cao hơn Tc, sự định hướng bị phá vỡ bởi năng lượng nhiệt và tính sắt điện sẽ bị triệt tiêu (pha thuận điện), phân cực điện thuận theo chiều của điện trường ngoài nhưng tuyến tính và yếu hơn nhiều so với tính sắt điện. Hình dạng của đường cong điện trễ thay đổi đối với các nhiệt độ khác nhau < Tc, hình 1.13. Nó trở nên hẹp hơn khi nhiệt độ
O2- Ti4+ Pb2+ a c a a a a (a) (b) T > Tc T < Tc
tăng lên và trở thành đường đơn khi T > Tc, khi đó vật liệu không còn tính phân cực. Trạng thái phân cực của sắt điện phụ thuộc vào nhiệt độ.
Hình 1.13. Đường cong điện trễ của BaTiO3 ở các nhiệt độ khác nhau (nguồn: [51]).
Nhiều công trình cũng đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính phân cực của vật liệu sắt điện [52]–[60]. Các công trình này, chủ yếu khảo sát sự phân cực của vật liệu sắt điện nói chung ở nhiệt độ chuyển pha hoặc ở nhiệt độ phòng [52]. Tuy nhiên, trong thực tế nhiệt độ có thể thay đổi ở các mức độ khác nhau tùy thuộc vào điều kiện làm việc. Luận án khảo sát dải rộng nhiệt độ với mục đích tìm ra sự co giãn của đường cong điện trễ (tăng giảm điện trường và sự thay đổi nhiệt độ chuyển pha khi có kết hợp với biến dạng).