الكهرباء الحديدية - Ferroelectricity

ما هي الكهرباء الحديدية؟

الكهرباء الفيروكهربائية أو الحديدية، خاصية بعض البلورات غير الموصلة، أو العوازل الكهربائية، التي تظهر استقطاباً كهربائياً تلقائياً “فصل مركز الشحنة الكهربائية الموجبة والسالبة، مما يجعل جانباً واحداً من البلورة موجباً والجانب المقابل سالباً” يمكن عكسه في الاتجاه من خلال التطبيق مجال كهربائي مناسب.

يتم تسمية الكهرباء “الفيروكهربائية” بالقياس مع “المغناطيسية الحديدية”، والتي تحدث في مواد مثل الحديد. ذرات الحديد، كونها مغناطيس صغير، تصطف نفسها تلقائياً في مجموعات تسمى المجالات المغناطيسية الحديدية، والتي بدورها يمكن توجيهها في الغالب في اتجاه معين عن طريق تطبيق مجال مغناطيسي خارجي.

الهيكل البلوري وتحضير المواد الفيروكهربائية:

الكهرباء الحديدية هي ظاهرة إزاحة حيث يتم وضع الأيونات داخل خلية الوحدة بشكل غير متماثل، مما يؤدي إلى تكوين لحظات ثنائية القطب. قد تتشكل هذه التباينات بطريقتين مختلفتين، إما بشكل غير مباشر أو عن طريق اضطراب النظام.

“الكهربيّات الفيروكهربائية” ذات التركيب البلوري “البيروفسكايت”، مثل تيتانات الباريوم (BaTiO₃) وتيتانات الرصاص (PbTiO₃)، عادةً ما تكون من النوع الفيروكهربائي، حيث عند درجات حرارة أقل من درجة حرارة كوري، يتم إزاحة الأيونات قليلاً من التوازن لخلق عدم تناسق في الكثافة، مما يؤدي إلى العزم الدائم ثنائي القطب.

في الكهرباء الحديدية لاضطراب الترتيب، مثل (NaNO₃)، توجد ثنائيات الأقطاب في جميع درجات الحرارة، ولكنّها موجهة بشكل عشوائي فوق درجة حرارة كوري. محاذاة ثنائيات الأقطاب بعد أن يتم خفض درجة الحرارة إلى ما دون العتبة.

في حين أنّ خلايا الوحدة الفردية للمادة الفيروكهريائية تمتلك عزم ثنائي القطب خاص بها، بدون وجود مجال كهربائي خارجي، لا تتماشى هذه اللحظات مع بعضها البعض لإنتاج أي تناظر بعيد المدى. داخل الحبيبات الفردية، تتم محاذاة المحاور القطبية ولكن عبر الجزء الأكبر من العينة لا يوجد استقطاب صاف.

عند درجات حرارة عالية بما يكفي لتحطيم الذرات، وفي وجود مجال كهربائي، يمكن إعادة محاذاة المحاور القطبية لتتناسب مع المجال. إذا تم تبريد المادة تحت هذا المجال، تظل المحاور القطبية محاذية، وبالتالي تشكل مادة لها ثنائي أقطاب كهربائي تلقائي يمكن ملاحظته.

في حالة تيتانات الباريوم، يتم إزاحة أيون التيتانيوم في اتجاه المجال الكهربائي وتزاح أيونات الأكسجين ضده، مما يؤدي إلى تكوين ثنائي القطب. مع المدخلات اللاحقة للمجالات الكهربائية المتناوبة، تتم إعادة تنظيم ثنائيات الأقطاب عن طريق تحويل أيون التيتانيوم إلى الجانب الآخر من خلية الوحدة.

مكونات المواد الفيروكهربائية:

تتكون المواد الفيروكهربائية، على سبيل المثال، تيتانات الباريوم (BaTiO₃) وملح روشيل (Rochelle salt)، من بلورات تكون فيها الوحدات الهيكلية عبارة عن ثنائيات أقطاب كهربائية صغيرة. أي في كل وحدة، يتم فصل مراكز الشحنة الموجبة والشحنة السالبة قليلاً.

في بعض البلورات تصطف ثنائيات الأقطاب الكهربائية هذه تلقائياً في مجموعات تسمى المجالات، وفي البلورات الحديدية الكهربائية، يمكن توجيه المجالات في الغالب في اتجاه واحد بواسطة مجال كهربائي خارجي قوي.

يمكن عكس المجال الخارجي في الاتجاه السائد للمجالات الحديدية الكهربائية، على الرغم من أنّ التحول إلى اتجاه جديد يتأخر إلى حد ما عن التغيير في المجال الكهربائي الخارجي. هذا التأخر في الاستقطاب الكهربائي وراء المجال الكهربائي المطبق هو التباطؤ الكهربائي الحديدي (ferroelectric hysteresis)، والذي تم تسميته بالتشابه مع التباطؤ المغناطيسي (ferromagnetic hysteresis).

تتوقف الكهرباء الفيروكهربائية في مادة معينة فوق درجة حرارة مميزة، تسمى درجة حرارة كوري (Curie temperature)، لأنّ الحرارة تثير ثنائيات الأقطاب بشكل كافٍ للتغلب على القوى التي تصطفها تلقائياً.

خصائص الكهرباء الحديدية:

تتميز الكهرباء الفيروكهربائية بوجود ثنائي أقطاب كهربائي تلقائي بينما لا تتعرض لمجال كهربائي خارجي، تماماً مثل كيف تتميز المغناطيسية الحديدية بوجود ثنائي القطب المغناطيسي التلقائي. فوق درجة حرارة معينة، تسمى درجة حرارة كوري (TCurie)، تفقد المواد الحديدية الكهربائية هذا الاستقطاب وتتصرف مثل المواد المغناطيسية المتوازية (paramagnetic) أو المواد الغيرمغناطيسية (diamagnetic).

عند درجة حرارة كوري، تسمح الطاقة داخل البلورة للأيونات بترتيب نفسها في توازن مستقر، مما يلغي الاستقطاب الناجم عن إزاحة واحد أو أكثر من الأيونات. لوحظ أنّ التغيير في قطبية الفيروكهربائية مع مجال كهربائي مطبق يتبع حلقة تخلفية بسيطة.

إذا تم تكسير التركيب البلوري للحديد الكهربائي في حرارة عالية وليس في وجود مجال كهربائي، فهو غير مستقطب. مع حقل مطبق، يقترب الاستقطاب بسرعة من نقطة حيث يتناسب الاستقطاب خطياً مع المجال الكهربائي المطبق.

إذا تم تطبيق مجال كهربائي معاكس، فإنّ القطبية لا تتغير بشكل كبير حتى يصل الحقل إلى حجم كبير نسبياً، وتوقف قطبية الانعكاسات الكهروضوئية والمستويات. يمكن تكرار هذه الحلقة عدة مرات لتغيير قطبية الفيروكهربائي، غالباً بترتيب (10¹⁶) دورة حسب المادة.

يعد استقطاب المواد الفيروكهربائية خاصية غير متطايرة بمجرد ضبط الاستقطاب. لا تستطيع المجالات الكهربائية الخارجية تغيير اتجاه الاستقطاب ما لم يصل حجم المجال إلى العتبة المطلوبة، وللمجالات المغناطيسية تأثيرات ضئيلة على الاستقطاب الإلكتروني المرصود.

تطبيقات الكهرباء الحديدية:

الطاقة الفيروكهربائية هي مجموعة فرعية من الكهرباء الحرارية والكهرباء الانضغاطية ويتم تحديدها بالاستقطاب العكسي من خلال تطبيق مجال كهربائي. احتل الاهتمام بالخصائص الفيروكهربائية مكاناً في العلوم والتكنولوجيا الحديثة بتطبيقات إلكترونية مختلفة. منذ اكتشاف سيراميك (BaO – TiO₂)، كان تطوير التطبيقات القائمة على التحويل الفيروكهربائي مكثفاً.

هناك العديد من المواد غير العضوية المستخدمة في الكهرباء الفيروكهربائية، وتكتسب التطورات في المواد البوليمرية الفيروكهربائية والمواد الهجينة زخماً. الأنظمة الفيروكهربائية هي مواد مهمة لها مجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية والتجارية.

منذ اكتشاف الطاقة الفيروكهربائية، كانت الفيروكهربائية قلب وروح العديد من الشركات، بدءاً من المكثفات عالية السماحية إلى تطوير محولات الطاقة الكهربائية الانضغاطية وأجهزة الاستشعار الكهروحرارية وغيرها.

تطبيقات المواد الفيروكهربائية وانعكاس الاستقطاب:

تستخدم العديد من تطبيقات المواد الفيروكهربائية انعكاس الاستقطاب، أو تأثير التبديل، الذي تتعرض له المواد عند تعرضها لمجالات كهربائية قوية. يتم استخدام تأثير التبديل هذا في تطبيقات الذاكرة الرقمية، حيث يسمح عكس قطبية المادة بإنشاء (0 و1) بت في الحوسبة.

نظراً لأنّ استقطاب المواد الفيروكهربائية غير متطاير ولا يتطلب إدخالاً إضافياً للبقاء مستقطباً، فإنّ المواد الفيروكهربائية تمتلك ميزة على أشباه الموصلات التقليدية عندما يتعلق الأمر بالتخزين الرقمي. تعتمد ذاكرة الوصول العشوائي العازلة (DRAM) في الكمبيوتر على الكهرباء للحفاظ على تخزينها، وتؤدي عمليات الإغلاق أو انقطاع التيار غير المتوقعة إلى فقدان المعلومات، مما يسمح لوحدات الذاكرة قصيرة المدى في الكمبيوتر بالتصرف مثل بنوك الذاكرة الاحتياطية طويلة المدى.

تجعل هذه الخاصية أيضًا الكهرومغناطيسية مثالية لبطاقات الوصول الإلكترونية، مثل بطاقات المفاتيح أو بطاقات النقل، حيث لا تتعطل حالاتها المستقطبة بواسطة الحقول المغناطيسية ولا تتحلل بمرور الوقت.

القدرة على الحفاظ على استقطابها بدون مدخلات خارجية تعني أيضاً أنّ ذاكرة الوصول العشوائي الحديدية الكهربائية (FeRAM) لا تتطلب سوى الطاقة عند قراءتها أو كتابتها، بينما تتطلب (DRAM) إدخال طاقة ثابتاً للحفاظ على المعلومات المخزنة. وبالتالي، فإنّ إمكانيات توفير الطاقة في (FeRAM) تخضع لأبحاث عالية وهي سبب رئيسي لتطوير تركيبات (FeRAM) أكثر كفاءة.