Ferroelektrik kristal keramik piezoelektrik

Polarisasi beberapa dielektrik sangatlah istimewa. Dalam kisaran suhu tertentu, konstanta dielektriknya tidak konstan, tetapi bervariasi menurut kekuatan medan, dan setelah medan listrik luar dihilangkan, dielektrik tersebut tidak netral. Ada sisa polarisasi. Agar dapat dianalogikan dengan fakta bahwa bahan feromagnetik dapat tetap termagnetisasi, sifat ini transduser keramik piezo sering disebut sebagai feroelektrik. Dielektrik feroelektrik disebut feroelektrik. Diantaranya, keramik barium titanat (BaTiO3), kristal tunggal natrium kalium tartrat (NaKC4H4O6⋅H2O) dan sejenisnya adalah yang paling menonjol. Ferroelektrik akan menunjukkan histeresis selama proses elektrodeposisi. Loop histeresis menunjukkan bahwa polarisasi antara benda feroelektrik dan medan listrik yang diterapkan adalah nonlinier, dan polarisasi dibalik ketika medan listrik eksternal dibalik. Inversi polarisasi merupakan hasil inversi domain, sehingga loop histeresis menunjukkan adanya domain pada feroelektrik. Yang disebut domain adalah wilayah kecil di mana arah polarisasi spontan dalam feroelektrik adalah seragam, dan domain. Batas antara keduanya disebut dinding domain. Kristal feroelektrik dari produk keramik piezoelektrik biasanya multidomain, polarisasi spontan pada setiap domain mempunyai arah yang sama, dan polarisasi spontan pada domain yang berbeda kuat.

Untuk feroelektrik polikristalin, tidak ada keteraturan antara orientasi relatif polarisasi spontan dalam domain yang berbeda untuk seluruh polikristal karena kesewenang-wenangan orientasi sumbu kristal antar butiran.
Feroelektrik umumnya tidak secara spontan membentuk domain tunggal, namun kristal multidomain dapat dimonodomain di bawah medan listrik eksternal yang kuat. Di bawah pengaruh medan listrik eksternal yang kuat, volume domain polarisasi spontan dalam kristal multi-domain yang sejajar atau dekat dengan arah medan eksternal akan berkembang pesat karena pembentukan inti domain baru dan pergerakan dinding domain, dan volume domain di arah lain akan berkurang dengan cepat. Kecil menghilang, yang mengubah seluruh kristal menjadi satu domain. Di bawah pengaruh medan listrik eksternal, proses dinamis inti domain baru dan pergerakan dinding domain disebut proses pembalikan domain. Pembalikan ini memiliki beberapa karakteristik histeresis, sehingga feroelektrik menunjukkan loop histeresis yang disebutkan di atas.

Mengingat kristal piezo tunggal mengasumsikan bahwa orientasi polarisasi spontan hanya memiliki dua kemungkinan. yaitu positif dan negatif sepanjang sumbu kristal tertentu; arah medan listrik luar sejajar dengan sumbu polarisasi. Ketika medan listrik luar adalah nol, polarisasi domain yang berdekatan dalam kristal adalah berlawanan, dan momen listrik total kristal adalah nol. Ketika medan listrik luar diperbesar secara bertahap, volume domain yang arah polarisasi spontannya berlawanan dengan arah medan listrik akan berangsur-angsur berkurang akibat inversi domain, dan domain-domain tersebut yang searah dengan medan listrik akan berangsur-angsur mengembang, sehingga kristal searah dengan medan luar. Intensitasnya meningkat seiring dengan meningkatnya medan listrik. Ketika medan listrik elemen cakram piezoelektrik meningkat cukup untuk membalikkan semua domain kebalikan dalam kristal ke medan luar, kristal menjadi domain tunggal, polarisasi kristal mencapai saturasi, dan kemudian medan listrik meningkat. Polarisasi akan meningkat secara linier dengan medan listrik (sama seperti polarisasi dielektrik pada umumnya) dan mencapai nilai maksimum Pmax, yang merupakan fungsi dari medan listrik polarisasi tertinggi. 

Ketika bagian linier diekstrapolasi ke medan listrik nol, hasil intersep Ps pada sumbu vertikal disebut polarisasi jenuh, yang sebenarnya merupakan polarisasi spontan setiap domain. Ketika medan listrik mulai berkurang dari C, polarisasi secara bertahap akan menurun sepanjang kurva CB. Ketika medan listrik komponen keramik piezoelektrik dikurangi menjadi nol, polarisasi berkurang hingga nilai tertentu Pr, yang disebut polarisasi sisa feroelektrik. Ketika medan listrik berubah arah dan meningkat menjadi Ec dalam arah negatif, polarisasi berkurang menjadi nol, medan listrik terbalik terus meningkat, dan polarisasi terbalik. Ec disebut kuat medan koersif feroelektrik. Ketika medan listrik terbalik terus meningkat, polarisasi terus meningkat ke arah gradien negatif dan mencapai nilai saturasi (-Pr) pada arah negatif, dan transduser piezoelektrik ultrasonik menjadi kristal domain tunggal yang memiliki polarisasi negatif. Jika medan listrik berubah terus menerus dari nilai negatif tinggi ke nilai positif tinggi, domain positif mulai terbentuk dan tumbuh kembali hingga seluruh kristal menjadi kristal domain tunggal dengan polarisasi maju kembali. Selama proses ini, polarisasi dikembalikan ke titik C sepanjang bagian FGH dari garis balik. Jadi, di bawah pengaruh medan listrik bolak-balik yang besar, medan listrik berubah selama satu minggu, dan proses di atas diulangi satu kali, menunjukkan loop histeresis yang ditunjukkan. Area yang dibatasi oleh garis balik adalah energi yang dibutuhkan untuk melakukan hal tersebut