M4 Piezoelectricidad y Ferroelectricidad

Tópico

La celda unitaria de este cerámico, por debajo de una determinada temperatura, pierde su simetría de inversión: los iones positivos y negativos que la forman dejan de distribuirse de manera que se cancelen exactamente al invertir la celda respecto de su centro, y ese desequilibrio deja, dentro de cada celda, un dipolo eléctrico neto. Que la celda unitaria pierda esa simetría de inversión hace que, en este modelo, se habilite el acoplamiento electromecánico que lo define.

Que la celda unitaria haya perdido su simetría de inversión hace que este cerámico exhiba el efecto piezoeléctrico, tanto en su forma directa como en su forma inversa: en su forma directa, una tensión mecánica aplicada al cerámico deforma esos dipolos eléctricos de la celda y genera, como consecuencia, una carga eléctrica medible en su superficie; en su forma inversa, un campo eléctrico aplicado al cerámico actúa sobre esos mismos dipolos y produce, como consecuencia, una deformación mecánica del material. Que ambas formas del efecto piezoeléctrico compartan el mismo origen —la ruptura de simetría de inversión de la celda unitaria— hace que sean, en esencia, la misma conversión electromecánica recorrida en direcciones opuestas.

Esa conversión electromecánica, en cualquiera de sus dos direcciones, nunca es perfectamente eficiente, y es el factor de acoplamiento electromecánico el que cuantifica cuánta de la energía mecánica aplicada se convierte efectivamente en energía eléctrica, o cuánta de la energía eléctrica aplicada se convierte efectivamente en energía mecánica. Que el factor de acoplamiento electromecánico de este cerámico sea mayor hace que esa conversión sea más eficiente; que sea menor, hace que una fracción mayor de la energía aplicada se pierda sin convertirse en la otra forma de energía.

Esa misma ruptura de simetría de inversión con la que se abrió este modelo no persiste, sin embargo, a cualquier temperatura: a medida que la temperatura del cerámico se acerca a su temperatura de Curie, esa ruptura de simetría se debilita, hasta desaparecer por completo en la temperatura de Curie, donde la celda unitaria recupera su simetría de inversión. Que la celda unitaria se acerque a recuperar esa simetría hace que la permitividad dieléctrica del cerámico diverja cerca de la temperatura de Curie, según describe la ley de Curie-Weiss: cuanto más se acerca la temperatura del cerámico a su temperatura de Curie, mayor es esa permitividad dieléctrica, hasta crecer sin límite justo en el punto de la propia temperatura de Curie.

Por eso este modelo, con la ruptura de simetría de inversión de la celda unitaria con la que se abrió, se distingue del mecanismo de transporte de portadores que describe, para los semiconductores, otro conjunto de modelos de esta misma categoría, porque en ese mecanismo no interviene ninguna ruptura de simetría de inversión, sino el desplazamiento de portadores de carga a través de la red. Que esta misma ruptura de simetría de inversión sostenga, en cambio, el efecto piezoeléctrico de este cerámico hace que este modelo alimente a dos modelos de este conjunto: el que describe la fatiga ferroeléctrica, donde el envejecimiento de la respuesta piezoeléctrica establecida aquí termina por degradarla, y el que describe la caracterización eléctrica del cerámico, donde el ciclo de histéresis entre la polarización y el campo eléctrico es, precisamente, el que cuantifica experimentalmente esta misma respuesta ferroeléctrica.

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