e-Paper - SVAT Astatine - Universiteit Twente

Multiferroïsche materialen
De wondere wereld van materiaaleigenschappen
Het idee van vastleggen van informatie is zo oud als
de mens, maar door de jaren heen zijn de methoden
veranderd. Sinds de introductie van digitale methoden
voor het opslaan van informatie is er een strijd tegen
de klok aan de gang om steeds maar snellere computers
te maken met meer opslagcapaciteit. Niet alleen
moeten transistoren kleiner, maar ook moet de exponentieel
groeiende hoeveelheid data snel en efficiënt
weggeschreven kunnen worden. Hiervoor zullen in de
toekomst opslagmedia nodig zijn waar we nu alleen
nog maar van kunnen dromen… of zijn ze toch dichterbij
dan we denken? In dit artikel zullen ferroëlektrische
en ferromagnetische eigenschappen van materialen
besproken worden om aan de hand daarvan een blik
te werpen in de toekomst van de dataopslag.
Elektrische materialen
Het elektrisch veld is de kracht die een lading ondervindt
op elk punt in de ruimte. Een diëlektrisch materiaal
heeft een bijzondere eigenschap, het is isolerend
en vertoont scheiding tussen positieve en negatieve
lading. Wanneer je op een diëlektrisch materiaal een
elektrisch veld aanbrengt, bewegen de ladingen zodanig
dat het veld binnen het materiaal verkleint, dit wordt
de diëlektrische verplaatsing genoemd. De eigenschap
die dit veroorzaakt is de diëlektrische permittiviteit.
Wanneer de ladingen uit elkaar zijn gedreven, noem je
het materiaal gepolariseerd; deze polarisatie kan vanuit
verschillende scheidingen komen: atomair, ionisch,
dipolair, en ruimtelijke ladingspolarisatie.
Wanneer polarisatie niet weggaat zodra het elektrisch
veld is uitgeschakeld noemen we het materiaal ferroëlektrisch
(FE). Een vereiste hiervoor is wel dat het
schakelbaar is, wanneer het veld van teken wisselt
moet de polarisatie dat ook doen. Daarnaast mag
schakeling niet destructief zijn. Maar hoe kan het nou
dat dit bestaat, waarom bewegen die ladingen niet
meteen terug zodra het elektrisch veld wat de kracht
leverde wegvalt? Dat komt doordat het ionisch kristal
vervormt wanneer de geladen ionen uit elkaar worden
gedreven. Deze vervorming herkennen jullie wellicht
als piëzoëlektrische eigenschap. Alle ferroëlektrische
materialen zijn namelijk ook piëzoëlektrisch.
4
Pim Rossen
Figuur 1: De polarisatie en vervorming van een kristalstructuur
van een complexe oxide (1) naar de ferroëlektrische
en gepolariseerde staat (2).
De schakeling van polarisatie is weergeven in figuur
2, het elektrische veld bij schakeling noemt met het
coërcieve veld en de resterende polarisatie van het
kristal bij afwezigheid van het opgelegde elektrische
veld noemt men het remanante veld.
Figuur 2: De ferroëlektrische hysterese loop, met hierin
Ec wat het coërcieve (schakelende) E veld aangeeft en
de remanante polarisatie Pr als E=0.
Magnetische materialen
Waar elektrische velden worden veroorzaakt door ladingen,
worden magnetische velden veroorzaakt door
stromen, of bewegende ladingen. Magnetisme is een
kwantummechanisch effect, maar we hebben gelukkig
het klassieke maar foute model, deze geeft bijna hetzelfde
resultaat. Elektronen hebben allemaal een spin
wat elk elektron ook een magnetisch dipoolmoment
geeft. In de meeste materialen zijn deze willekeurig
gericht en heffen ze elkaar op, maar wanneer dit niet
zo is en een netto dipoolmoment optreedt, noem je dat
magnetisme. Deze magnetische dipolen willen zich
graag gelijkrichten met magnetische velden, de energetische
toestand is dan het laagst.