材料物理与性能学课件：铁电物理与性能-.ppt

铁电物理与性能,6.1,铁电物理的基本概念,6.1.1,铁电体的定义,铁电体是指在某温度范围内具有自发极化且极化强度可以因外场的作用而反向的晶体极化是一种极性矢量，自发极化的出现在晶体中造成了一个特殊方向每个晶胞中原子的构型使正负电荷重心沿该方向发生相对位移，形成电偶极矩，整个晶体在该方向上呈现极性，一端为正，一端为负另外也可以根据铁电体具有电滞回线和具有许多电畴的特点进行定义，即：凡具有电畴和电滞回线的介电材料就称为铁电体所谓电畴或畴就是指晶体中的若干个小区域，每个小区域内部永久偶极矩的取向都一致，不同区域内的永久偶极矩的取向不一致，而电畴的边界也叫畴壁其实铁电体晶体中并不含铁，铁电体又常被称作息格毁特晶体，这是因为第一个铁电体（罗息盐）是在,1672,年由罗息地方的药剂师息格毁特制备出来的6.1.2,铁电体的特性,6.1.2.1,铁电体的自发极化,许多电介质只有在电场下才会发生极化电场去除后，极化强度迅速衰减到零对于液体和无定形的固体中，由于分子排列的无序性，外电场为零时，其表现出的宏观极化强度仍然为零对于晶体而言，如果某些晶体中每个晶胞中原子的构型使正负电荷重心不重合或者说在某个方向存在相对位移，形成电偶极矩，那么整个晶体在该方向上呈现极性，一端为正，一端为负，导致晶体处于高度的极化状态，而这种极化状态是在外电场为零时建立起来的，因此称之为自发极化。

6.1.2.2,铁电体的电畴,铁电体在整体上体现出呈现自发极化，这意味着在其正负端分别有一层正的和负的束缚电荷在晶体内部束缚电荷产生的电场与极化反向（称为退极化电场）使静电能升高在受机械约束时，伴随着自发极化的应变还将使应变能增加，均匀极化的状态是不稳定的，晶体将分成若干个小区域，每个小区域内部电偶极子具有同一方向，但各个小区域之间电偶极子方向有可能不同，这些小区域称为电畴或畴畴的间界叫畴壁畴的出现使晶体的静电能和应变能降低，但畴壁的存在引入了畴壁能总自由能取极小值的条件决定了电畴的稳定构型当无外电场时，电畴无规则，所以净极化强度为零而当施加外电场时，与电场方向一致的电畴长大，而其他电畴变小，因此，极化强度随电场强度变大而变大6.1.2.3,铁电体与外加电场形成的电滞回线,铁电体的极化随外电场的变化而变化，其重新定向并不是连续发生的，而是外电场超过某一临界电场强度时发生的，极化和电场之间呈非线性关系，这和一般电介质的电场与极化强度呈线性关系不同电场的周期变化导致了极化强度,P,与外加电场,E,形成了电滞回线，如图,6.1,所示6.1.2.4,铁电相和顺电相转变温度,晶体的铁电性通常只存在于一定的范围之内，居里温度 是铁电相与顺电相的相转变温度，当铁电体温度 时，铁电现象即消失，处于顺电相。

当,wt,，上下主表面被有电极以施加并取出电信号当电信号频率适当时，振子沿长度方向振动6.3.1.3,压电材料的种类,1,）晶体,自从第一个铁电体罗息盐发现以后，铁电体就作为重要的压电材料得到应用虽然非铁电性的压电晶体石英以其高稳定、低损耗特性在频率选择和控制方面占优势，但从总体来看，实用的压电材料大部分是铁电体，尤以压电陶瓷用量最大，具有铁电性的晶体很多，其分类如下：,（,1,）一类以磷酸二氢钾,（,2,）另一类则以钛酸钡,2,）压电陶瓷,（,1,）钛酸钡陶瓷,钛酸钡陶瓷是第一个被发现可以制成陶瓷的铁电体2,）锆钛酸铅陶瓷,它是,PbTiO3,与,PbZrO3,的二元固溶休3,）薄膜,（,4,）铁电聚合物,6.3.1.4,压电材料的应用,压电材料已广泛应用于电子学,(,信号处理、存储显示、接收发射及信号发生器等,),和传感器（压敏、声敏、热敏及光敏等）领域石英、铌酸锂、钽酸锂、钛酸钡，锆钛酸铅（,PZT,）、,PCM(PbZrO3-PbTiO3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3),PMS(Pb(Mn1/3Sb2/3)O3,一,PbZrO3-PbTiO3),和,PVDF,用的最多另外，铁电材料可用来制作声波换能器，如高分子薄膜，聚双氟亚乙烯（简称,PVF2,或,PVDF,）和氧化锂铌（,LiNbO3,）。

6.3.2,热释电效应,6.3.2.1,热释电效应基本概念,热释电效应是指当某些晶体受温度变化影响时，由于自发极化的相应变化而在晶体的一定方向上产生表面电荷，这一效应称之为热释电效应他是不具有对称中心的晶体晶体受热时，膨胀是在各个方向同时发生的，所以只有那些有着与其他方向不同的唯一的极轴时，才有热释电性热释电效应反映了晶体的电量与温度之间的关系，可用下式简单的表达,6.3.2.2,热释电材料的特征值,1,）热释电系数,热释电系数反映热释电材料受到热辐射后产生自发极化强度随温度变化的大小热释电系数越大越好2,）吸热流量,代表单位时间吸热的多少，热释电的 要大3,）居里点或矫顽场,热释电材料有一大类是铁氧体，对这类热释电材料居里点要高或矫顽场要大6.3.2.3,热释电材料的应用,具有热释电效应的材料约有上千种，但广泛应用的不过十几种，主要有硫酸三甘肽,TGS,，,(NH2CH2COOH)3H2SO4,、锆钛酸铅镧,PL2T,，,(Pb,La)(Zr,Ti)O3,、透明陶瓷和聚合物薄膜,(PVF2),，工业上可用作红外探测器件，热摄像管以及国防上某些特殊用途优点是不用低温冷却，但灵敏度比相应的半导体器件低。

下面以红外传感器来介绍热释电效应在实际中的应用图,6.5,为热释电传感器的构造，光线从（,l,）窗进入，经过（,2,）滤光片到达（,3,）热释电元件，从而产生电信号，电信号经过（,4,）引线输出工作原理：热释电红外传感器的窗口接收光线，滤波片对自然界中的白光信号具有抑制作用，因此，只有特定波长的红外信号才能透过滤波片照射在热释电元件上热释电元件被光照后，由于热释电元件的上下表面受到的光照不同，产生电子，并且形成电流，使两块黑色涂膜产生不同的热释电电流经过场效应管后放大输出电压信号6.3.3,电致伸缩效应,6.3.3.1,电解质在电场中产生的体积力,电解质受到外电场的作用，微观上结构的各个单元将出现电偶极矩，这个电偶极矩将受到在此微观区域内微观电场的作用，反应到宏观上可以表达为下式,6.3.3.2,电致伸缩系数,对于没有压电效应的晶体，如果将应力 和应变看成是外加电场 的函数时，可以得到下式,6.3.3.3,常用铁电体电致伸缩材料及应用,除铁电体中钛酸钡、锆钛酸铅,(PZT),及其复合物等少数晶态材料外，一般电致伸缩效应是很小的利用这种效应做成微位移计在精密机械、光学显微镜、天文望远镜和自动控制等方面有重要用途。

下面以,WTDS-I,型微位移器的工作原理来说明电致伸缩效应产生微位移的原理实际应用中，电致伸缩微位移器有梁式和层叠式两种结构为了获得较大的变形量和良好的输出特性，一般多选择层叠式结构，即将许多陶瓷片叠起来使用，机械上串联，电路上并联层叠式电致伸缩微位移器的总伸缩量可按下式求出,6.3.4,光学效应,在强的光频电场或低频（直流）电场作用下，铁电体显示出一系列有趣的现象即电光效应，非线性光学效应，反常光生伏特效应和光折变效应这些效应的发现和研究不但加深了人们对铁电体中极化机制和电子运动过程的了解，而且使铁电体在非线性光学等新的科技领域得到了重要的应用本节主要介绍上述光学效应的基本概念，以及常用的铁电体光学材料及其应用6.3.4.1,电光效应,晶体在外加电场作用下，介质折射率发生变化的现象称为电光效应，具有电光效应的介质称为电光材料产生电光效应的实质是外电场作用下，构成物质的分子产生了极化，使分子的固有电矩发生变化，从而使介质的折射率发生了改变设外加偏置电场为,E,，介质折射率为,n,，它们之间的关系一般可以展开为级数形式,6.3.4.2,非线性光学效应,1,）非线性光学效应的基本概念和原理,非线性光学效应是指介质在强相干光作用下，显示二次以上非线性光学性质的现象。

激光,问世之前，基本上是研究弱光束在介质中的传播，确定介质光学性质的折射率或极化率是与光强无关的常量，介质的极化强度与光波的电场强度成正比，光波叠加时遵守线性叠加原理，在上述条件下研究光学问题称为线性光学2,）二阶非线性光学材料的特征值,6.3.4.3,反常光生伏特效应,非极性晶体受到光照射时冉生的光生伏特效应是早己熟知的在均匀介质中，沿某方向的光被强烈吸收时，该方向将出现一个电场议就是,Dember,效应在宏观非均匀的材料,如,p,一,n,结或金属,-,半导体整流接触区）中，均匀吸收入射光时将产生非平衡载流子并在结合区或金属,-,半导休接触区出现一电动势在这些情况中，单一元件两端的光生伏特电压都不会超过电子能隙与电子电荷之比（一般为几伏）6.3.4.3,光折变效应,1965,年，,Asbkin,等人发现，当强激光通过,LiNbO,3,或,LiTaO,3,晶体时,光的波前发生崎变，光束不再准直并俘随有较强的光散射这种现象限制了材料在强光方面的应用，被称为光损伤然而，这一效应与通常情况下强光导致的水久性破坏不同，将晶体加热到适当的温度（例如约,200),，又可恢复到原先的状态这种光引起,A,双折射变化的现象被称为光折变效应或光致折射效应。

继,LiNbO,3,或,LiTaO,3,之后，在许多其他晶体中也发现了这种现象，例如,BaTiO,3,KnbO,3,，,SBN,Bi,12,SiO,20,，,Bi,12,GeO,20,和,PLZT,等1991,年以来，还发现了有机聚合物中的光折变效应目前，光析变效应已被认为是电光材料的通性，所观测到的折射率改变主要是非常光折射率的改变在有些铁电体（,LiNbO,3,或,LiTaO,3,）中，双折射的变化可大到,10,-4,-10,-3,6.3.4.3,常用铁电体光学材料及其应用,常用的铁电体电光材料包括,KDP(KH,2,PO,4,),、,KD*P(KD,2,PO,4,),、,KDA(KH,2,AsO,4,),、,BaTiO,3,、,LiNbO,3,、,LiTaO,3,等电光材料主要应用在激光技术中的激光调制器、扫描器和激光,Q,开关以产生巨脉冲激光图,6.6,为基于电光材料的光学相控阵光束扫描器的基本原理示意图它是由多个等周期的独立调相阵列单元组成的6.4,铁电性基本参数和压电参数的试验研究,6.4.1,铁电性基本参数的实验研究,6.4.1.1,电致回线的测量,电滞回线是铁电性的一个最重要的标志，通过对电滞回线的测量可以检验物质是否为铁电体、反铁电体或者是顺电体，同时也可以测定铁电体的剩余极化强度、自发极化强度以及矫玩电场。

图,6.7,是一个铁电材料的典型电滞回线，铁电特性,6.1.2.3,中描述了电滞回线的形成机理，根据这一机理我们可以实现对铁电体电滞回线的测量6.4.1.2,铁电体居里温度的测定,铁电体从低温升到高温，当到达某个特定温度时，便会发生结构相变，由对称性较低的铁电相变为对称性较高的顺电相该特定温度称为该铁电体的居里温度 铁电体在 附近会出现各种物理性质的反常，如介电常数、弹性系数、比热容、光学双折射等的突变，自发极化趋于零，以及由顺电相转变为铁电相时某种晶格振动模式的频率趋于零等等6.4.2,压电系数的实验研究,6.4.2.1,压电系数测量的基本原理,压电性的测量方法可分为电测法、声测法、力测法和光测法，其中以电测法最为普遍在电测法中，又可分为动态法、静态法和准静态法动态法是用交流信号激励样品，使之处于特定的运动状态：通常是谐振及谐振附近的状态，通过测量其特征频率、并进行适当的计算便可获得压电参量的数值这个方法的优点是精确度高，而且比较简单6.4.2.2,压电系数的测量步骤,压电陶瓷是一大类铁电性压电材料它们的电容率、压电系数和弹性系数矩阵与,6mm,点群晶体的相同需要测定的压电参量如下：,具体测量步骤如下：,（,1,）对于第一个样品,（,2,）对于第二个样品,（,。