Ферроэлектричество характеризуется наличием спонтанной электрической поляризации в кристалле, которая может изменяться под действием внешнего электрического поля. Основное условие для возникновения ферроэлектрического состояния — отсутствие центра инверсии в кристаллической решётке. Симметрия кристалла играет ключевую роль: ферроэлектрические материалы принадлежат к так называемым пирамидальным и тетрагональным кристаллическим системам, где смещение ионов относительно центра симметрии приводит к образованию макроскопического диполя.
Классическим примером является перовскитовая структура BaTiO₃, где ионы титана смещаются относительно кислородного октаэдра, создавая спонтанный дипольный момент. При охлаждении ниже критической температуры (температура Кюри) происходит фазовый переход из параэлектрической фазы с высокой симметрией в ферроэлектрическую с низкой симметрией, что сопровождается возникновением спонтанной поляризации.
Ферроэлектрическая поляризация P существует даже при отсутствии внешнего электрического поля. Характерной особенностью является гистерезисная петля, аналогичная ферромагнитной, где зависимость P(E) показывает наличие остаточной поляризации P_r и коэрцитивного поля E_c, необходимого для переключения направления поляризации.
Спонтанная поляризация обусловлена смещением положительных и отрицательных ионов в кристалле, что приводит к локальным дипольным моментам. При приложении внешнего поля диполи ориентируются вдоль направления поля, изменяя макроскопическую поляризацию.
Ферроэлектрические материалы демонстрируют тёплую зависимость спонтанной поляризации. При повышении температуры поляризация уменьшается и исчезает на критической температуре Кюри T_c, где ферроэлектрик переходит в параэлектрическое состояние с центром симметрии. Этот процесс сопровождается изменением диэлектрической проницаемости, которая достигает максимума около T_c.
Фазовые переходы могут быть первого порядка, с скачкообразным изменением объёма и поляризации, или второго порядка, когда изменения происходят непрерывно. Перовскитные ферроэлектрики обычно демонстрируют переход второго порядка, в то время как ряд органических ферроэлектриков — первого.
Ферроэлектрики обладают высокой диэлектрической проницаемостью, которая сильно зависит от температуры и частоты внешнего поля. Эти материалы демонстрируют параэлектрическую анизотропию, где компоненты диэлектрической тензорной матрицы различаются вдоль разных кристаллографических осей.
Нелинейная зависимость поляризации от электрического поля используется в пьезоэлектрических и нелинейно-оптических приложениях, поскольку ферроэлектрические кристаллы обладают симметрией, допускающей как электрополяризационное, так и механическое взаимодействие.
Ферроэлектрики формируют домены — области с одинаковой ориентацией спонтанной поляризации. Доменные стенки могут перемещаться под действием электрического поля, что приводит к увеличению диэлектрической проницаемости и изменению гистерезисной петли. Размер и конфигурация доменов зависят от термического и механического воздействия, а также от электрической истории материала.
Наиболее исследованными являются оксидные ферроэлектрики: BaTiO₃, PbTiO₃, Pb(Zr,Ti)O₃ (PZT). Эти материалы применяются в конденсаторах с высокой диэлектрической проницаемостью, пьезоэлектрических сенсорах, актуаторах и памяти типа FeRAM (Ferroelectric Random Access Memory).
Органические ферроэлектрики, такие как квасцы или полиэлектролиты, интересны для гибкой электроники и микросистем, где требуется низкая температура обработки и механическая податливость.
Переключение поляризации происходит через движение доменных стенок и локальное вращение диполей. Процесс описывается моделью Ландау–Гинзбурга, где свободная энергия ферроэлектрика представлена через полиномиальную функцию от поляризации с учётом электрического поля и градиентов поляризации. Энергетические барьеры определяют коэрцитивное поле, а кинетика движения доменов — скорость отклика материала на внешнее воздействие.
Микроструктура ферроэлектриков, включая дефекты, трещины и границы зерен, существенно влияет на параметры поляризации, диэлектрической проницаемости и гистерезиса. Управление микроструктурой позволяет оптимизировать материал для конкретных приложений, снижать потери и повышать стабильность поляризации при многократных циклах переключения.
Ферроэлектричество представляет собой сложное явление, где взаимодействие кристаллической структуры, температуры, внешнего поля и микроэлементов определяет физические свойства материала и его функциональные возможности в современных электронных и сенсорных устройствах.