Instytut Wysokich Ciśnień

Pomimo siedmiu dekad badań niezwykłych własności dielektrycznych ceramik relaksorowych w szerokim otoczeniu przejścia paraelektryk – ferroelektryk model fundamentalny wyjaśniający i koherentnie opisujący ten fenomen pozostawał wyzwaniem. Obserwuje się tam szczególne, ‘rozmyte’ zmiany ‘stałej dielektrycznej’ w szerokim otoczeniu przejście ‘para-ferro’, niezwykłą czułość na zewnętrzne pole elektryczne (‘tunability’) oraz tzw. ‘szklistą’ dynamikę.

Właśnie ukazała się publikacja zespołu X-PressMatter/NL10  [S.J. Rzoska, et al.  Critical insight into pretransitional behavior and dielectric tunability of relaxor ceramics. Materials 16 (2023) 7634 w modelu Open Access], która proponuje jakościowo nowy model dla tych układów. Praca zawiera także test doświadczalny wykorzystujący ‘distortions-sensitive analysis’.

Rys. „Stała dielektryczna” w ceramice relaksorowej Ba_0,65Sr_0,35TiO₃ i „klasyczna” analiza skupiona na równaniu Curie-Weissa (CW) z temperaturą Burnsa T_B.

W nowym ujęciu w ceramikach relaksorowych ma miejsce słabo-nieciągłe przejście fazowe para-ferro, wskutek ograniczenia wzrostu fluktuacji przedkrytycznych do rozmiaru ziaren ceramiki. Przy rozwoju fazy pre-ferro w ziarnach dochodzi jednak także do spontanicznej kreacji silnych lokalnych pól elektrycznych, które dla tej klasy materiałów, muszą być sprzężone z parametrem porządku (polaryzacja elektryczna). To powoduje tzw. ‘bias’ od typowej dla ferroelektryków charakterystyki Curie-Weiss’a dla stałej dielektrycznej  oraz pseudospinodalne zmiany promienia korelacji fluktuacji, z sekwencją temperatur osobliwych. W ceramikach relaksorowych, prowadzi to do ‘rozmytych’  zmian ‘stałej dielektrycznej’, a ‘tunability’ to efekt interakcji spontanicznych pól elektrycznych pomiędzy ziarnami z zewnętrznym polem elektrycznym. Wspomniane czynniki skutkują też tzw. frustracją, której wynikiem musi być ‘szklista’ dynamika. Nie jest ona jedna opisana relacją VFT, jak dotąd sugerowano – pojawia się bowiem jeszcze czynnik lokalnej jednoosiowości.

Wspomniana praca to nie tylko nowy i prosty obraz fenomenu obejmujący wszystkie (!) własności doświadczalne. To także spójny zestaw relacji dla ich opisu, oraz dla projektowania w inżynierii materiałowej. To ostatnie jest szczególnie istotne ze względu na innowacyjne aplikacje od waraktorów do przestrajalnych polem elektrycznym anten czy efektu elektrokalorycznego dla grzania i chłodzenia nawet w skali ‘mikro’.

Ta praca pokazuje, że heurystyczne koncepcje  temperatury Burns’a i ‘polar nanoregions (PNRs)’ dominujące dotychczasowe modele/wyjaśnienia - nie są potrzebne.