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铁电材料的特性及应用综述孙敬芝（河北联合大学 材料科学与工程学院 河北frill 063009）摘要：铁电材料具有良好的铁电性、压电性、热释电以及性光学等特性以及原理，铁 电材料是具有驱动和传感2种功能的机敏材料，可以块材、膜材（薄膜和厚膜）和复合材料 等多种形式应用，在微电子机械和智能材料与结构系统中具有广阔的潜在应用市场关键词：铁电材料；铁电性；应用前景Characteristics and Application of FerroelectricmaterialSun Jingzhi（ Materials Science and Engineering college, Hebei United University Tangshan 063009,China）Abstract: Ferroelectric material has good iron electrical, piezoelectric 、 pyroelectric and nonlinear optical properties, such as a driver and sensing two function piezoelectric materials, can block material, membrane materials （film and thick film） and the compound Material of a variety of forms such as application, in microclcctromcchanical and intelligent materials and structures in the system with vast potential application market.Keywords: fcrroclcct ric materials Iron electrical development trend0前言晶体按几何外形的有限对称图象，可以分为32种点群，其中有10种点群:1, 2, m , mm 2, 4,4mm , 3, 3m , 6, 6mm ,它们都有自发极化。

从对称性分析它们 的晶体结构都具有所谓的极轴，即利用对称操作不能实现与晶体的其它晶向重 合的轴向，极轴二端具有不同的物理性能从物理性质丄看，它们不但具有口发 极化，而且其电偶极矩在外电场作用下可以改变方向在介电强度允许条件下, 能够形成电滞回线晶体这种性能称为铁电性，具有铁电性的材料称为铁电材 料1920年法国人Valasek发现了罗息盐（酒石酸钾钠）的特异介电性，导致“铁电性”概念的出现他有人认为概念出现更早）现在各种铁电材料十分丰富, 以每种化合物或固溶体算一•种铁电体，而不包括掺杂或取代的衍生者，H前已 达200多种，研究论文每年都在3000篇以上，是介电物理学和功能材料研究领 域中的热点之一[1]具有铁电性的材料，一定也具有压电性，但反过来却不一 定成立材料具有压电性，即当给材料以应力（应变），则相应产生电位移或电 场变化，它们的相关参数称为压电应变常量，铁电材料按其材料类别、形态分可 以有：铁电陶瓷材料、铁电薄膜材料（含有机薄膜）以及复合材料.为此，木文对铁电陶瓷材料、铁电薄膜材料（含有机薄膜）以及复合材料的 研究现状和应用情况进行了综述，为未来的新型铁电材料的研究提供参考 1铁电陶瓷。

H前按产生传感、驱动功能的机制，铁电陶瓷可分为3种：1・1层状铁电陶瓷H前，研究较多、并且用于制备铁电陶瓷材料的是鈣钛矿结构的错钛酸铅（简 称PZT）系列此系列的突出优点是剩余极化较大Pr （10-35 gC/cm2）.热处理 温度较低（600C左右）但是随着研究的深入，人们发现，在经过累计的极化反 转Z后PZT系列性能退化，主耍表现在出现高的漏电流和较严重的疲劳问题，另 外，铅的挥发对人体也有害因此研究和开发性能优良且无铅的铁电陶瓷具有重 要的现实意义而祕系层状钙钛矿结构材料属于铁屯材料类口性能较好又不含 铅，因此受到人们的广泛关注该材料通式是（Bi2O2）2+（A“iBQ3n+i）匕其中A为 + 1、+2或+3价离子，B为+3、+ 4或+5价离子，n为类钙钛矿层中氧八面体 BO6层数，英中类钙钛矿层（An“BnO3n+尸与蚀氧层（Bi2O2）2+交替排列□ SrBi4Ti4O15 （简称SBTi） （n=4、n = 5或n = 7）陶瓷是钮系层状钙钛矿结构铁电陶瓷材料 研究发现：其剩余极化较大，单晶极化强度方向沿a或b轴时，（2Pr=5稣C/卅） [,],热稳定性能也比较好（居里温度为520C）⑵,另外,SBTi陶瓷又是非铅系 列材料，是一种比较有前途的铁电陶瓷材料。

但是由于Bi容易挥发，在材料制 备和使用过程中容易成钮空位，从而形成氧空位，影响材料的抗疲劳性能和铁电 性能为了满足实际应用的需要，需要提高和改进该系列材料的铁电性能，因此, 国内外研究者在改变制备途径、制备方法以及调整材料的组分等方面作了不少研 究1・2弛豫型铁电陶瓷弛豫型铁电体（relaxation fbrroclcctrics,简称RF）是指顺电一铁电转变属于 弥散相变的一类铁电材料，它同时具有铁电现象和弛豫现象与典型铁电体相比, 弛豫型铁电体的一个典型特征是复介电常数（*（CO）=（3）-3为角频率） 的实部「（3）随温度变化呈现相对宽且变化平缓的峰，其最大哄CO）值对应的温 度久随3的增加而向高温移动该特征与结构玻璃（structurcglass）化转变、R 旋玻璃（spin glass）化转变的特征极为相似所以，弛豫型铁电体又被称为极性 玻璃（polarglass）,相应的弛豫铁电相变又被称为极性玻璃化转变迄今为止， 虽然人们对弛豫铁电相变进行了大量的实验测量和理论探索，但是仍然没有被普 遍接受的弛豫铁电相变模型，所以对弛豫铁电相变机制的研究一直是该领域研究 的热点问题之一。

另外，现有的一些弛豫铁电体具有优良的铁电、压电和热释电 性能，因而具有广泛而重要的应用因此，对现有弛豫铁电体性能的优化以及新 型弛豫铁电体的合成，将具有重要的潜在应用价值，同时也是该领域的另一热点 问题SrTiOj是一种无污染的功能陶瓷材料，因此以SrTiCh为基础合成的新材 料有产业的优势研究发现在SrTiO3中引入Bi离子产生了典型的铁电弛豫行为， 并对其进行了介屯谱测量，但是最低测量频率为100Hz,而一般认为，玻璃化转 变的特征吋间50〜102s,所以在更低的频率范围内对极性玻璃体的介电谱测量, 无疑对理解其玻璃化转变机制是有价值的1・3反铁电陶瓷上世纪80年代后期，具有大电致应变和大机电转换能力的PZST反铁电陶 瓷作为换能器或大位移致动器有源材料方面的研究工作逐步出现美国 Pennsylvania大学材料研究所开展了 PZST反铁电陶瓷作为大位移致动器有源材 料应用的可行性研究工作，针对“方宽”型电滞冋线的PZST反铁电陶瓷进行了 一系列改性优化，降低相变场强，增大纵向应变量，最大纵向应变量达到0.85% （相变场强为48 kV/cm,电滞宽度为20 kV/cm）,指出“方宽”型电滞回线的反 铁电陶瓷在交变电场下表现出严重的屯滞损耗，因而不适于交变状态下应用⑹。

此后，西安交通大学开展了反铁电材料的研究和应用工作研究了化学组份 和不同外场对反铁电陶瓷相变性能的影响和变化规律，针对该类材料丰富的相变 性能在不同应用领域开展工作，给出了性能优化途径，比如，利用丿玉致相变制作 大功率脉冲爆电电源利用场诱相变制作电压调节器等在利用其大电致应 变特性方而，也开展了系统的研究工作，通过掺朵改性和优化制备工艺，重点解 决PZST反铁电陶瓷相变场强较高和电滞损耗偏人等问题，得到了具有人电致应 变量、低相变场强和小电滞损耗的“细长”型电滞回线的PbLa(Zr,Sn,Ti)O3(简称 PLZST)反铁电陶瓷，这种材料的电致应变量比PZT压电陶瓷高出10倍以上， 其杨氏模量在100〜llOGPa之间，应变能是PZT压电陶瓷的100倍以上考虑到 材料电滞损耗因素，要尽量工作在低频状态，以减小交流电场下的热损耗，使器 件稳定工作2无机铁电薄膜材料和聚合物铁电材料20卅:纪70年代铁电薄膜材料也开始研制，在1983年溅射PZT薄膜成功并 且由溶胶一凝胶法进一步肯定了PZT薄膜良好的铁电性Z后，薄膜研究迅速发 展，主要是研制无挥发性抗辐射的铁电随机存储器(FRAM )薄膜铁电材料发 展的原因主要是：①电子器件发展小型化，推动了薄膜的研究；②成木上远低 于昂贵的单晶铁电材料且儿何尺寸上易于满足大面积或较复杂的形状；③新应 用领域的开发，例如研制微电子机械，实现新的器件概念[1, 6 ]o制备铁电薄膜的方法很多[7〜10 ]:①氧化物靶的磁控溅射；②多极磁控 溅射；③多元离子束反应溅射；④电子回旋共振等离子体辅助生长；⑤化学气 相沉积(含光辅助)；⑥激态基态复合物(Excimer)激光烧蚀；⑦溶胶-凝胶 法；⑧金属有机沉积技术(MOD Techn iques)。

注意：对沉积后的热处理要慎重选择参数，可采用快加热退火技术(RTA ) o与无机铁电材料相比，有机铁电薄膜有以下特点：①压电电压g h值很高;②密度Q低，声速u小，故声阻率Qv低，与水、空气或人体组织易与匹配；③易 于制成大面积均匀膜由于这些优点，以热释电材料PVDF (铁电材料)制作的红 外控测器其D3可与TGS和PbT iO 3制作的探测器和比[11 ]0 PVDF即聚偏二氟乙烯，是有机铁电材料的代表据报道，PVDF的压电性比石英晶体高3〜5 倍这种材料可以做到200〜300Lm或更薄，故可贴于物体表面，很适合做传感 器单轴膜可以测量单向应力，双轴膜则可解决平面应力测定，由于对床力十分 墩感，常用于做触觉传感器，可识别布莱叶盲文字母，区分砂纸级别，感知温 度和压力，采用不同模式还可以识别边、角、棱等几何特征最新报告V irgin ia Tech已用它和泡沫塑料复合构成机敏层用于机舱内降噪另一•有机铁电薄膜是 二氟乙烯(VDF)和三氟乙烯(TrFE)的共聚物P(VDFdTrFE),它的主要特点 是：成膜后不用拉仲即具有压电性，它的厚度仲缩机电耦合系数比P (VDF)高, 更适合医用超声换能器或圧力传感器。

如果这种共聚物在熔点温度极化，存在电 场并冷却到室温，其压电常量可达8x10- 12C6N o3铁电材料的应用：铁电材料的非线性性质可以用来制造电容可调的电容器一个铁电电容器的 典型结构是两个电极夹一层铁电材料铁电材料的介电常数不仅可以调节，而且 在相变温度附近值非常大这使得铁电电容器与其他电容器相比体积非常小带有滞归特性的自发极化的铁电材料可以用来制造存储器在实际应用中, 铁电材料可以用来制造电脑和RFID卡这些应用通常是基于铁电薄膜，这样用 一个不太大的电压就可以产生一个强大的轿顽场铁电材料可作信息存储、图象显示，像BaTiOs - 的钙钛矿型铁电体具有 很高的介电常数可以做成小体积大容量的陶瓷电容器铁电薄膜能用于不挥发存 贮器外，还可利用其压电特性，用于制作床力传感器，声学共振器，还可利用铁 电薄膜热释电非致冷红外传感器研究MEMS的微传感器和微执行器铁电存储器：非挥发性铁电随机存储器(NvFcRAM)其特点为：即使在电源中断的情况，存储的信息也不会丢失；铁电体不仅作 为电容而且是存储器的一部分；低电压运作(1.0-5. 0V),低功耗；小尺寸，仅 为EEPR0M单元的20%；抗辐射。

军用，卫星通讯)；高速：200ns读取时间; 易与其它Si器件集成铁电动态随机存取存储(DRAM)铁电薄膜作为一大介电常数的电容介质；利用铁电体大的介电常。