CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU ÁP ĐIỆN
1.1.1.2. Đường trễ điện môi (đường trễ phân cực sắt điện)
Các gốm sắt điện đa tinh thể như PZT, chứa các vùng phân cực định hướng ngẫu nhiên bên trong các hạt, được gọi là các đô-men (domain). Khi được làm nguội qua điểm Curie, các đơ-men được hình thành nhằm giảm năng lượng đàn hồi trong gốm.
Sự tồn tại của các đô-men trong sắt điện làm cho sắt điện trơng như có mối liên hệ với sắt từ. Đặc trưng đầu tiên để nhận biết vật liệu sắt điện là đường trễ phân cực sắt điện P(E). Các vật liệu điện môi: sắt điện, phản sắt điện và thuận điện có đường biểu diễn P(E) khác nhau, như trên hình 1.3, trong đó chỉ các vật liệu sắt điện mới có đường trễ. Sắt điện re-la-xo (relaxor) thường có đường trễ rất hẹp [124].
Sự hình thành đường trễ là do các đô-men sắt điện (đô-men Weiss) trong vật liệu tương tự như các đô-men sắt từ. Giữa các đô-men là các vách đô-men. Vách đô-men sắt điện khác với vách đô-men sắt từ ở chỗ: dưới tác động của trường ngoài, vách dịch chuyển khi các đô-men lớn lên hoặc bé lạị Pha tứ giác có 2 loại vách đơ- men là vách 180o và vách 90o. Pha mặt thoi có 3 loại là 180o, 109o và 71o. Để thuận tiện, các vách đô-men 109o và 71o được gọi chung là vách 90o [46],[130].
Hình 1.3. Đáp ứng P(E) và mơ hình đơ-men của các loại vật liệu điện môi khác nhaụ
Do các đô-men phân cực được sắp xếp ngẫu nhiên nên tổng phân cực tồn phần bằng khơng. Vì vậy, sắt điện đa tinh thể khơng có tính áp điện. Khi ta đặt lên vật liệu một trường tĩnh điện lớn hơn trường bão hòa nhưng nhỏ hơn trường đánh thủng ở nhiệt độ cao, gần điểm chuyển pha sắt điện, thì các đô-men dễ dàng được định hướng theo trường ngồị Sau đó ta giảm nhiệt độ trong khi vẫn giữ ngun trường áp đặt thì các đơ-men bị “nhốt” lại ở vị trí đã được định hướng. Quá trình này được gọi là phân cực. Phân cực làm cho hướng của các đô-men bị đảo chiều, hoặc thay đổi góc tùy thuộc vào cấu trúc tinh thể, làm cho phân cực tự phát có hướng trùng với trường phân cực và phổ biến là đối xứng hình nón. Khi ta ngắt trường ngồi, những đơ-men bị biến dạng lớn sẽ quay về lại vị trí ban đầu (= khử phân cực) nhưng phần lớn các đơ-men vẫn ở vị trí đã được sắp xếp. Nhờ đó, vật liệu đã được phân cực và có thể có tính áp điện. Kết quả nghiên cứu cịn cho thấy quá trình phân cực cũng làm tăng độ tứ giác của cấu trúc tinh thể [130].
Khi mẫu gốm sắt điện (chưa phân cực) được đặt dưới điện trường xoay chiều, các đô-men sẽ đổi chiều liên tục theo trường ngoàị Tương tự như biến thiên của cảm ứng từ B theo từ trường ngoài H trong vật liệu sắt từ, biến thiên của độ phân cực P (C/m2) theo điện trường E (V/m) được thể hiện bằng đường trễ sắt điện.
Các thơng số quan trọng của đường trễ gồm có độ phân cực bão hòa Ps, phân cực dư Pr, trường điện kháng EC và điện trường cực đại Emax liên quan đến đánh thủng điện môị Các đại lượng mà ta quan tâm là phân cực dư Pr và trường điện
kháng EC, chúng đặc trưng cho vật liệụ Tích E x P có thứ nguyên mật độ năng lượng (J/m3), do đó năng lượng điện - cơ của gốm tỷ lệ với diện tích đường trễ.
Phân loại theo độ lớn của trường điện kháng EC, gốm sắt điện được chia thành 2 loại: gốm có trường điện kháng EC > 1MV/m được gọi là các gốm cứng còn gốm mềm có 0,1MV/m < EC < 1MV/m. Gốm có EC < 0,1MV/m thì thuộc về nhóm các chất điện giảo [27],[121].