التباطؤ الكهربائي الحديدي Ferroelectric Hysteresis

ما هي حلقة التباطؤ الكهربائي الحديدي؟

يمكن للأجهزة الفريدة في مجال الإلكترونيات أن تستفيد من التباطؤ في المواد الفيروكهربائية (ferroelectric materials)، والذي يحدث من خلال التفاعل بين المجال الكهربائي والمادة. الفرق بين المواد الفيروكهربائية والعوازل الأخرى هو أنّ المواد الفيروكهربائية تحتفظ باستقطابها بعد إزالة المجال، بينما تعود العوازل الأخرى إلى الحالة المحايدة. علاوةً على ذلك، يمكن إرجاع الكهرومغناطيسية إلى حالة محايدة طالما تم تطبيق مجال تأشير معاكس (opposite-pointing field) قوي بدرجة كافية على المادة.

هذا مشابه للمغناطيسية الحديدية (ferromagnetism) في أنّ المغناطيس الحديدي يمكنه الاحتفاظ بمغناطيسه بعد تعرضه لمجال مغناطيسي. هذه الحاجة للتغلب على عتبة لتغيير حجم واتجاه الاستقطاب المتبقي يعني أنّ هذه المواد تظهر التباطؤ، تمامًا مثل المغناطيس. حلقة التباطؤ الحديدية الكهربائية لها نفس البنية الأساسية مثل الحلقة التخلفية المغناطيسية “التباطؤ المغناطيسي” (magnetic hysteresis).

نقاط مهمة في حلقة التباطؤ الكهربائي الحديدي:

هناك ثلاث نقاط مهمة في حلقة التباطؤ الفيروكهربائي:

• الإكراه الكهربائي (Electric coercivity – E_C): هذا هو المجال الكهربائي المطلوب لتبديل الاستقطاب بين القيم الموجبة والسالبة. لاحظ أنّ المجال الموجب يمكن أن يحفز الاستقطاب السلبي، ممّا يؤدي إلى السعة السالبة.

• الاستقطاب المتبقي (Remnant polarization – P_R): مقدار الاستقطاب المتبقي في المادة بعد إزالة المجال الكهربائي.

• استقطاب التشبع (Saturation polarization – PS): هذا هو أقصى قدر من الاستقطاب يمكن أن يحدث في المادة عند شدة المجال الكهربائي العالية.

لاحظ أنّه يمكن استخلاص نفس النقاط من حلقة التباطؤ المغناطيسية الحديدية. تعتمد هذه النقاط المهمة في حلقة التخلفية على الآلية الفيزيائية التي تحرك تباطؤ الاستقطاب في المواد الحديدية الكهربائية.

قيادة الكهرباء الحديدية Drivers of Ferroelectricity:

على المستوى العياني، يخلق المجال الكهربائي الساقط تحولًا في التوزيع المكاني للشحنات المقيدة، والتي يتم تحديدها على أنّها استقطاب في معادلات ماكسويل. يسمح هيكل هذه المواد بإغلاق هذا التغيير في توزيع الشحنة المقيدة، حيث تظل الشحنة المقيدة في التوزيع الجديد حتى بعد إزالة المجال الكهربائي الساقط. تشمل الآليات الفيزيائية لهذه الظاهرة على المستوى المجهري هجرة الأيونات (ion migration) وملء حالة المصيدة (trap state filling)، على سبيل المثال لا الحصر.

رياضيًا، يكون الاستقطاب في المادة غير خطي متعدد التعريف، اعتمادًا على ما إذا كان الحقل يتزايد أم يتناقص. يمكن أيضًا استخدام نفس التقنيات المستخدمة لنمذجة التباطؤ المغناطيسي لنمذجة حلقة التباطؤ الفيروكهربائي. يصبح هذا مهمًا عند استخدام الفيروكهربائيات لبناء مكونات جديدة ولتشغيل محاكاة الدائرة بهذه المكونات. يمكن لبعض الأجهزة المثيرة للاهتمام الاستفادة من التباطؤ الفيروكهربائي في عدد من المجالات.

تطبيقات المواد الفيروكهربائية:

هناك العديد من تطبيقات المواد الفيروكهربائية للاستخدام في الإلكترونيات، بدءًا من المكونات غير الخطية القابلة للضبط إلى توليد الطاقة. بعض الأمثلة تشمل:

• المكثفات الديناميكية ذات النطاق الديناميكي الأكبر والحساسية أكبر من المتغيرات (varactors).

• المكثفات ذات السعة السلبية.

• الأدلة الموجية غير الخطية لتطبيقات الضوئيات.

• خلايا بيروفسكايت الشمسية (Perovskite solar cells)، حيث يمكن الحفاظ على الكفاءة في حالة حدوث انخفاض في المجال.

• في الحسّاسات الكهروحرارية عالية الحساسية.

• المؤثرات (Modulators).

• الذاكرات الغير متطايرة (Non-volatile memories).

من بين هذه التطبيقات المحتملة، حظيت خلايا البيروفسكايت الشمسية بالكثير من الاهتمام البحثي وقد تكون المنتجات الكهربائية الحديدية التالية المتاحة تجارياً. ومع ذلك، يُنظر إلى حلقة التباطؤ الفيروكهربائي في هذه الأجهزة على أنّها عقبة في طريق تحويل الطاقة الناجح، حيث يصبح تعريف كفاءة التحويل غامضًا. يمكن أيضًا تسويق المكثفات الديناميكية والمكثفات السالبة إذا استمرت عمليات التصنيع لأشباه الموصلات الحديدية في التقدم.

تطبيقات المواد الفيروكهربائية في أجهزة الحاسوب:

ومن التطبيقات المنتشرة في أجهزة الحاسوب، ربما يكون الجهاز الفيروكهربائي الأكثر شيوعًا والمتوفر حاليًا هو ذاكرة الوصول العشوائي الفيروكهربائية (ferroelectric RAM) (FRAM). تتمتع هذه الأجهزة بهيكل بسيط نسبيًا يستخدم أشباه الموصلات الحديدية في عملية (CMOS). في هذا النوع من الأجهزة، يتم وضع المادة الحديدية الكهربائية كطبقة مباعدة عازلة على القاعدة في هيكل الترانزستور من النوع (NPN).

يمكن تخزين قليلاً منها على شكل استقطاب في الكهرباء الحديدية. علاوةً على ذلك، يضمن التباطؤ في الكهربائية الحديدية عدم فقد البت ما لم يتم تطبيق حقل كبير بما فيه الكفاية عند سطر الكلمة لعكس أو مسح الاستقطاب. نطاق التيار لمنتجات (FRAM) يوفر فقط ما يصل إلى (8) ميغابايت من التخزين لكل وحدة، والتي تنتشر عبر بنوك متعددة.

ومع ذلك، فإنّ الاستقطاب المتبقي في هذه المادة له قدرة غير محدودة على إعادة تدوير القراءة والكتابة، ويضمن الاستقطاب المتبقي وظائف المواد كذاكرة غير متطايرة. إذا تمّ تحسين عمليات أشباه الموصلات الحديدية الكهربائية، يمكن تسويق المزيد من أجهزة (FRAM) وغيرها من المنتجات الفيروكهربائية.

عندما تحتاج إلى حساب حلقة التباطؤ الفيروكهربائي في تصميماتك الجديدة، يمكنك استخدام ميزات تصميم الواجهة الأمامية من (Cadence) لبناء مخطط كهربائي لتصميمك، ويمكنك استخدام تطبيقات النمذجة في (PSpice Simulator) لإنشاء مكونات فيروكهربائية للمحاكاة. بمجرد تصميم الدوائر الخاصة بك، يمكنك تشغيل عمليات محاكاة قياسية باستخدام المكونات الكهروضوئية الخاصة بك وإتقان تصميماتك الحديدية.