Search

Els antiferroelèctrics són materials no polars que, sota un camp elèctric, canvien a una fase ferroelèctrica (polar), mostrant una característic cicle d' histèresi doble de polarització-voltatge. Actualment aquests materials s'estan estudiant intensament, tant des del punt de vista fonamental, per entendre quin és l'origen d'aquest comportament, com des del punt de vista pràctic, ja que la seva resposta funcional és útilper a l'emmagatzematge d'energia electrostàtica i prometedora per a aplicacions en la transducció electromecànica i la refrigeració electrocalórica. L'interès de l'efecte electrocalòric (ECE) dels antiferroeléctrics prové de la gran magnitud de les seves respostes ECE i de la seva anòmala resposta ECE negativa, per la qual el material es refreda quan s'aplica un voltatge, i s'escalfa quan se'l retira. En aquesta tesi investigo els efectes flexoelèctrics, electrocalòrics i de dinàmica de transició dels antiferroelèctrics. L'interès en aquestes dues propietats concretes és múltiple. Des d'un punt de vista fonamental, la flexoelectricitat és rellevant perquè s'ha proposat com a explicació de la disposició antiparalela dels dípols i, per tant, de l'origen de la antiferroelectricidad. Alhora, el desplaçament antiparal·lel dipolar és a la base d'un dels dos models teòrics que competeixen entre si i que intenten explicar l'efecte electrocalórico anòmal dels antiferroeléctrics. Les conclusions de la meva recerca s'extrapol·len directament a una discussió sobre com s'han d'entendre físicament els antiferroeléctrics: des d'una perspectiva estructural, com a desplaçaments antiparal·lels dels ions a la xarxa? O des d'una visió energètica entre les fases antiferroelèctrica i ferroelèctrica? Els nostres resultats suggereixen que aquesta última és la visió més acurada. Passant dels fonaments a les posibles aplicacions, aquest treball també explora la magnitud, la dinàmica i el rang de temperatura d'aplicabilitat de l'efecte electrocalóric anòmal dels antiferroelèct, Los antiferroeléctricos son materiales no polares que, bajo un campo eléctrico, cambian a una naturaleza ferroeléctrica (polar), mostrando así la característica histéresis doble de polarización-voltaje. Actualmente se están estudiando intensamente, tanto desde el punto de vista fundamental, para investigar cuál es el origen y el comportamiento de su respuesta funcional, como desde el punto de vista práctico, ya que son adecuados para el almacenamiento de energía electrostática y prometedores para aplicaciones en la transducción electromecánica y la refrigeración electrocalórica. El interés del efecto electrocalórico (ECE) de los antiferroeléctricos proviene de la gran magnitud de sus respuestas ECE y de su exótica respuesta ECE negativa, en la que el material se enfría cuando se aplica un step de voltaje, y se calienta cuando se retira. En esta tesis investigo los efectos flexoeléctricos y electrocalóricos y de dinámica de los antiferroeléctricos. El interés de estas dos propiedades específicas es múltiple. Desde un punto de vista fundamental, la flexoelectricidad es relevante ya que se ha propuesto como explicación de la disposición antiparalela de los dipolos y, por tanto, del origen de la antiferroelectricidad. A su vez, el desplazamiento antiparalelo dipolar está en la base de uno de los dos modelos que compiten entre sí y que pretenden explicar el efecto electrocalórico anómalo de los antiferroeléctricos. Las conclusiones se extrapolan directamente a una discusión sobre cómo deben entenderse físicamente los antiferroeléctricos: ¿desde una perspectiva estructural, como desplazamientos antiparalelos de los iones en la red? ¿O desde una visión energética entre las fases antiferroeléctrica y ferroeléctrica? Nuestros resultados sugieren que esta última es la visión más útil. Pasando de los fundamentos a las aplicaciones potenciales, el presente trabajo también explora la magnitud, la dinámica y el rango de temperatura de aplicabilidad del efecto electrocalórico anóm, Antiferroelectrics are non-polar materials which, under an electric field, switch to a ferroelectric (polar) nature, thus displaying the characteristic double-loop polarization-voltage hysteresis. They are currently being studied intensively, both from the fundamental point of view, to investigate what is the origin and behaviour of their functional response, and also from a practical point of view, as they are suitable for electrostatic energy storage and promising for applications in electromechanical transduction and electrocaloric cooling. The interest the electrocaloric effect (ECE) of antiferroelectrics stems from the large magnitude of their ECE responses and their exotic negative ECE response, whereby the material cools down when a voltage step is applied, and warms up when it is removed. In this thesis I take a look on the flexoelectric and electrocaloric effects and dynamics of antiferroelectrics. The interest in these two specific properties is manyfold. From a fundamental point of view, flexoelectricity is relevant as it has been proposed as an explanation for the antiparallel arrangement of dipoles and therefore for the origin of antiferroelectricity. In turn, the antiparallel dipole arrangement is at the basis of one of two competing models that aim to explain the anomalous electrocaloric effect of antiferroelectrics. The conclusions extrapolate directly onto a discussion about how antiferroelectrics should be physically understood: from a structural perspective, as antiparallel displacements of ions in the lattice? Or from an energetic view between the antiferroelectric and ferroelectric phases? Our results suggest the latter is the more useful view. Going from fundamentals to potential applications, the present work also explores the magnitude, dynamics and temperature range of applicability of the anomalous electrocaloric effect of antiferroelectrics. Finally, I present preliminary results on the growth of antiferroelectric PbZrO3 thin films and the, Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Física

We want to understand the behaviour of flexoelectricity and surface piezoelectricity and distinguish them in order to go deep into the controversies of the filed. This motivate the construction of a model of continuum flexoelectric theory. The model proposed is a two-dimensional model that integrates the electromechanical equations that include the elastic, dielectric, piezoelectric and flexoelectric effect on a rectangular sample. As the flexoelectric and the surface piezoelectric effects appear on thin films (at the nanoscale) it requires a rich continuum model based on strain gradient elasticity too (we have to consider a second order effect). The high-order partial differential equations of electromechanics can't be solved with standard finite elements because of the second order effects included. Therefore, method should consists in using a galerkin method with smooth shape functions based on B-Splines. As a first step to understand the surface piezoelectricity we implement the mechanical part of our model,i.e., considering the elastic effect term and the gradient elasticity term. In order to do that we encode from zero the numerical method using MATLAB. We arrive to a very important result about the elastical behaviour of a beam (sample): the size effect of cantilever beam beanding. This result, that is known, will validates the development of our flexoelectriciy model and the correct realization of the numerical method involved., Queremos entender el comportamiento de la flexoelectricidad y de la piezoelectricidad superficial y distinguirlos con el fin de profundizar en las controversias de este campo. Esto motiva la construcción de un modelo de la teoría flexoeléctrica continua. El modelo propuesto es un modelo de dos dimensiones que integra las ecuaciones electromecánicas que incluyen el efecto elástico, dieléctrico, piezoeléctrico y el efecto flexoeléctrico en una muestra rectangular. Debido a que el efecto flexoeléctrico y el efecto piezoeléctrico superficial aparecen en películas delgadas (a escala nanométrica) se requiere un modelo continuo rico basado en la contribución del gradiente de deformación elástica (tenemos que considerar un efecto de segundo orden). Las ecuaciones diferenciales parciales de la electromecánica de mayor orden no pueden ser resueltas con elementos finitos estándar debido a los efectos de segundo orden incluidos. Por lo tanto, el método consistirá en el uso de un método de Galerkin con funciones suaves como las funciones base B-Splines. Como primer paso para entender la piezoelectricidad superficial resolvemos la parte mecánica de nuestro modelo, es decir, tenemos en cuenta el término de efecto elástico y el término de gradiente elástico. Para ese fin resolvemos nuestro problema numéricamente desde zero con Matlab. Llegamos a un resultado muy importante sobre el comportamiento de una viga elastical (muestra): el efecto de tamaño de un viga en voladizo. Este resultado, que se conoce, valida el desarrollo de nuestro modelo flexoeléctrico y la correcta realización del método numérico en cuestión., Volem entendre el comportament de la flexoelectricitat i de la piezoelectricitat superficial i distingir-los per tal d'aprofundir en les controvèrsies d'aquest camp. Això motiva la construcció d'un model de la teoria flexoeléctrica contínua. El model proposat és un model de dues dimensions que integra les equacions electromecàniques que inclouen l'efecte elàstic, dielèctric, piezoelèctric i l'efecte flexoelèctric en una mostra rectangular. A causa de que l'efecte flexoelèctric i l'efecte piezoelèctric superficial apareixen en pel·lícules primes (a escala nanomètrica) es requereix un model continu ric basat en la contribució del gradient de deformació elàstica (hem de considerar un efecte de segon ordre). Les equacions diferencials parcials de la electromecànica de major ordre no poden ser resoltes amb elements finits estàndard a causa dels efectes de segon ordre inclosos. Per tant, el mètode consistirà en l'ús d'un mètode de Galerkin amb funcions suaus com les funcions base B-Splines. Com a primer pas per entendre la piezoelectricitat superficial resolem la part mecànica del nostre model, és a dir, tenim en compte el terme d'efecte elàstic i el terme de gradient elàstic. Per a aquesta fi resolem el nostre problema numèricament des de zero amb Matlab. Arribem a un resultat molt important sobre el comportament d'una biga elàstica (mostra): l'efecte de tamany d'un biga en voladís. Aquest resultat, que es coneix, valida el desenvolupament del nostre model flexoelèctric i la correcta realització del mètode numèric en qüestió.