介电和铁电基础及应用汇总课件.ppt

铁电性基础铁电性基础BasicsofFerroelectricsn什么是铁电体，什么是铁电体，n开关特性，开关特性，Sawyer-Tower Sawyer-Tower 电路电路n铁电体主要特征铁电体主要特征n典型的铁电材料的主要物理性质典型的铁电材料的主要物理性质n铁电材料的分类，铁电材料的分类，n反铁电体反铁电体基本定义基本定义n具有自发极化强度具有自发极化强度（PsPs）Spontaneous PolarizationSpontaneous Polarizationn自发极化强度能在外加电场下反转自发极化强度能在外加电场下反转, , Switchable Switchable PsPsNote:铁电体与铁磁体在其它许多性质上也具有相应的平行类似性，“铁电体”之名即由此而来，其实它的性质与“铁”毫无关系在欧洲（如法国、德国）常称“铁电体”为“薛格涅特电性”（Seignett-electricity）或“罗息尔电性”（Rochell-electricity）因为历史上铁电现象是首先于1920年在罗息盐中发现的，而罗息盐是在1665年被法国药剂师薛格涅特在罗息这个地方第一次制备出来主要特征主要特征n电滞回线hysteresis loopn居里温度Curie temperature Tcn介电反常Dielectric anomalous电滞回线电滞回线 hysteresishysteresis loop loopn自发极化自发极化PsPsn剩余极化剩余极化PrPrn矫顽电场矫顽电场EcEcSawyer-Tower Sawyer-Tower 电路电路n电滞回线表明，铁电体的极化强度与外电场之间呈现非线性关系，而且极化强度随外电场反向而反向。

n极化强度反向是电畴反转的结果，所以电滞回线表明铁电体中存在电畴n所谓电畴就是铁电体中自发极化方向一致的小区域，电畴与电畴之间的边界称为畴壁n铁电晶体通常多电畴体，每个电畴中的自发极化具有相同的方向，不同电畴中自发极化强度的取向间存在着简单的关系居里温度居里温度 （ TcTc, ,c c）当晶体从高温降温经过c时，要经过一个从非铁电相（有时称顺电相）到铁电相的结构相变温度高于c时，晶体不具有铁电性，温度低于c时，晶体呈现出铁电性通常认为晶体的铁电结构是由其顺电结构经过微小畸变而得，所以铁电相的晶格对称性总是低于顺电相的对称性如果晶体存在两个或多个铁电相时，只有顺电-铁电相变温度才称为居里点；晶体从一个铁电相到另一个铁电相的转变温度称为相变温度或过渡温度介电反常：临界特征介电反常：临界特征铁电体的介电性质、弹性性质、光学性质和热学性质等在居里点附近都要出现反常现象，其中研究的最充分的是“介电反常”因为铁电体的介电性质是非线性的，介电常数随外加电场的大小而变，所以一般用电滞回线中在原点附近的斜率来代表铁电体的介电常数，实际测量介电常数时外加电场很小大多数铁电体的介电常数在居里点附近具有很大的数值，其数量级可达，104-105，此即铁电体在临界温度的“介电反常”。

居里居里- -外斯定律外斯定律Curie-Weiss lawCurie-Weiss law当温度高于居里点时，铁电体的介电常数与温度的关系服从居里-外斯定律：式中：C为居里-外斯常数；为绝对温度；0为顺电居里温度，或称居里-外斯温度几种典型铁电体的性质几种典型铁电体的性质BaTiO3，钛酸钡 KDP，磷酸二氢钾 KH2PO4TGS，三甘氨酸硫酸盐，(NH2CH2COOH)3 H2SO4 RS，酒石酸钾钠（罗息盐）NaKC4H4O64H2O Spontaneous polarization of BaTiO3Dielectric constant of BaTiO3钛酸钡晶体的自发畸变与温度的关系钛酸钡晶体的自发畸变与温度的关系KDPKDP晶体的自发极化强度与温度的关系晶体的自发极化强度与温度的关系KDPKDP晶体的介电常数与温度的关系晶体的介电常数与温度的关系KDPKDP的定压比热与温度的关系的定压比热与温度的关系KDPKDP晶体的压电常数晶体的压电常数d d3636与温度的关系与温度的关系TGSTGS晶体的自发极化强度与温度的关系晶体的自发极化强度与温度的关系TGSTGS晶体的起始介电常数与温度的关系晶体的起始介电常数与温度的关系TGSTGS的定压比热与温度的关系的定压比热与温度的关系 罗息盐晶体的自发极化强度与温度的关系罗息盐晶体的自发极化强度与温度的关系罗息盐晶体的介电常数与温度的关系罗息盐晶体的介电常数与温度的关系RSRS晶体的弹性柔顺常数晶体的弹性柔顺常数S S4444与温度的关系与温度的关系铁电晶体的分类至今已经发现的铁电晶体有一千多种，它至今已经发现的铁电晶体有一千多种，它们广泛地分布于从立方晶系到单斜晶系的们广泛地分布于从立方晶系到单斜晶系的1010个点群中。

它们的自发极化强度从个点群中它们的自发极化强度从1010- -4 4C/mC/m2 2到到1 1C/mC/m2 2，它们的居里点有的低到它们的居里点有的低到- -261.5261.5 C C（酒石酸铊锂），有的高于酒石酸铊锂），有的高于15001500 C C表表6-16-1给出了部分铁电晶体的分给出了部分铁电晶体的分子式、居里点和自发极化强度对于晶格子式、居里点和自发极化强度对于晶格结构和特性差异如此之大的各种铁电体，结构和特性差异如此之大的各种铁电体，要对它们做完善的统一分类是不容易的要对它们做完善的统一分类是不容易的到目前为止，对铁电晶体的分类法有许多到目前为止，对铁电晶体的分类法有许多种，其中常用的有以下几种种，其中常用的有以下几种 单轴铁电体，多轴铁电体根据铁电体的极化轴的多少分为两类一根据铁电体的极化轴的多少分为两类一类是只能沿一个晶轴方向极化的铁电体，类是只能沿一个晶轴方向极化的铁电体，如罗息盐以及其它酒石酸盐，磷酸二氢钾如罗息盐以及其它酒石酸盐，磷酸二氢钾型铁电体，硫酸铵以及氟铍酸铵等另一型铁电体，硫酸铵以及氟铍酸铵等另一类是可以沿几个晶轴方向极化的铁电体类是可以沿几个晶轴方向极化的铁电体（在非铁电相时这些晶轴是等效的），如（在非铁电相时这些晶轴是等效的），如钛酸钡、铌酸钾、钾铵铝矾等。

这种分类钛酸钡、铌酸钾、钾铵铝矾等这种分类方法便于研究铁电畴方法便于研究铁电畴对称中心根据铁电体在非铁电相有无对称中心亦可分根据铁电体在非铁电相有无对称中心亦可分为两类一类铁电体在其顺电相的晶体结构为两类一类铁电体在其顺电相的晶体结构不具有对称中心，因而有压电效应如钽铌不具有对称中心，因而有压电效应如钽铌酸锂、罗息盐、酸锂、罗息盐、KDPKDP族晶体另一类铁电体，族晶体另一类铁电体，其顺电相的晶格结构具有对称中心，因而不其顺电相的晶格结构具有对称中心，因而不具有压电效应，如钛酸钡、铌酸钾以及它们具有压电效应，如钛酸钡、铌酸钾以及它们的同类型晶体这种分类方法便于铁电相变的同类型晶体这种分类方法便于铁电相变的热力学处理的热力学处理成分和结构根据晶体成分和结构特征，可把铁电晶体分根据晶体成分和结构特征，可把铁电晶体分成两类一类是含有氢键的晶体，如成两类一类是含有氢键的晶体，如KDPKDP族、族、TGSTGS、罗息盐等这类晶体的特点是可溶于罗息盐等这类晶体的特点是可溶于水、力学性质软、居里点温度低、溶解温度水、力学性质软、居里点温度低、溶解温度低，常称低，常称“软软”铁电体另一类是双氧化物铁电体。

另一类是双氧化物晶体，如钛酸钡、铌酸锂等晶体它们的特晶体，如钛酸钡、铌酸锂等晶体它们的特点是不溶于水、力学性质硬、居里点温度高、点是不溶于水、力学性质硬、居里点温度高、溶解温度高，常称为溶解温度高，常称为“硬硬”铁电体按居里按居里- -外斯常数的大小分类（参照图外斯常数的大小分类（参照图6-46-4），），这种分类法有利于研究铁电体的相变机制这种分类法有利于研究铁电体的相变机制居里居里- -外斯常数外斯常数C C 大约在大约在10105 5数量级的为第一数量级的为第一类这类铁电体的微观相变机制属于类这类铁电体的微观相变机制属于位移型位移型，它主要包括钛酸钡等氧化物形铁电体近来它主要包括钛酸钡等氧化物形铁电体近来发现的发现的SbSISbSI是这一类中的唯一例外，它不是是这一类中的唯一例外，它不是氧化物居里居里- -外斯常数外斯常数C C 大约在大约在10103 3数量级的为第数量级的为第二类，这类铁电体的微观相变机制属于二类，这类铁电体的微观相变机制属于有有序序- -无序型无序型，主要包括，主要包括KDPKDP、TGSTGS、罗息盐和罗息盐和NaNONaNO2 2等C C数量级大约在数量级大约在1010的为第三类铁的为第三类铁电晶体，属于这一类的典型晶体是电晶体，属于这一类的典型晶体是( (NHNH4 4) )2 2CdCd2 2(SO(SO4 4) )3 3。

这类铁电体的相变机制目这类铁电体的相变机制目前尚未详细研究，也无专门的名称前尚未详细研究，也无专门的名称图图6-46-4：铁电体按居铁电体按居里里- -外斯常数外斯常数分类表分类表量子顺电体量子顺电体 Quantum Quantum ParaelectricsParaelectrics先兆性铁电体 Incipient Ferroelectrics代表性材料：SrTiO3， 其它有： CaTiO3 ， KTaO3主要特点：介电常数随温度减低而增大，在低温区出现一个平台，整个温度区间没有铁电性有出现铁电性的先兆；可能是量子起伏造成低温区不出现铁电性KAMuller,JpnJApplPhys24(1985)24-2,pp.89-93QuantumPara-,Ferro-,andRandomElectricBehaviorsinOxidePerovskites铁电弛豫体铁电弛豫体 ferroelectric relaxorferroelectric relaxorn相变不是发生于一个温度点，而是发生于相变不是发生于一个温度点，而是发生于一个温度区间，因而电容率特性不显示尖一个温度区间，因而电容率特性不显示尖锐的峰，而呈现出相当宽的平缓的峰锐的峰，而呈现出相当宽的平缓的峰n电容率呈现极大值的温度随测量频率的升电容率呈现极大值的温度随测量频率的升高而升高高而升高n电容率虚部呈现峰值的温度低于实部呈现电容率虚部呈现峰值的温度低于实部呈现峰值的温度，而且测量频率越高，峰值差峰值的温度，而且测量频率越高，峰值差别越大别越大n电容率于温度的关系不符合居里电容率于温度的关系不符合居里- -外斯定外斯定律，而可表示为类居里律，而可表示为类居里- -外斯定律外斯定律n即使顺电相具有对称中心，在以上相当即使顺电相具有对称中心，在以上相当高的温度仍可观测到压电性和二次谐波高的温度仍可观测到压电性和二次谐波发生等效应；发生等效应；n有场致相变，在一定的电场强度下会出有场致相变，在一定的电场强度下会出现铁电相；现铁电相；n有很大的电致伸缩系数，而且无明显滞有很大的电致伸缩系数，而且无明显滞后效应。

后效应n典型材料：铌镁酸铅典型材料：铌镁酸铅 PbPb(Mg(Mg1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3，铌锌酸铅铌锌酸铅PbPb(Zn(Zn1/31/3NbNb2/32/3)O)O3 3 ，B-B-位复合钙位复合钙钛矿结构（钛矿结构（complex complex perovskiteperovskite）n钛酸铋钠钛酸铋钠 ( (NaNa1/21/2BiBi1/21/2)TiO)TiO3 3，A-A-位复合钙位复合钙钛矿结构钛矿结构n其它材料：钨青铜结构其它材料：钨青铜结构( (tungsten tungsten bronze)bronze)Kighelman, Damjanov and N Setter, J Appl Phys 90(2001) 4684铁电聚合物铁电聚合物 ferroelectric ferr。