铁电体材料理论及性综述..ppt

主要汇报内容 铁电 体材料相关概念 1 铁电 体材料的特性 2 典型的材料和应用 3 MS在材料中的应用 4 一、铁电 体材料相关概 念 铁电体与铁磁体在许多性质上具有相应的平行类 似性，“铁电体”之名即由此而来，其实它的性质与 “铁”毫无关系 早期在欧洲（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可以认为是首先于1920年法 国人Valasek在罗息盐中发现的，当时他观察到的是反 常的介电特性而罗息盐是在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 1、铁电 材料发展历程 一、铁电 体材料相关概 念 在1935年Busch发现了磷酸二氢钾KH2PO4— 简称KDP，其相对介电常数高达30，远远高于当时的 其它材料 1940年之后，以BaTiO3为代表的具有钙钛矿 结构的铁电材料陆续被发现，这是铁电历史上里程 碑式的时期 1、铁电 材料发展历程 一、铁电 体材料相关概 念 70年代以来，研制成功透明铁电陶瓷，使 得铁电体的光学效应在更广阔的科技领域加以利 用。

80年代以来，铁电薄膜的出现，被广泛应 用于制作铁电存储器使得铁电体的光学效应在更 广阔的科技领域加以利用 1、铁电 材料发展历程 一、铁电 体材料相关概 念 铁电体(ferroelectrics)是电介质的一 个亚类，其定义是指在某温度范围内具有自发极化 且极化强度可以在外电场作用下改变方向的晶体 由于自身结构的原因，铁电体同时具有 压电性和热释电 性，此外一些铁电晶体还具有非线 性光学效应、电光效应、声光效应、光折变效应等 铁电体这些性质使它们可以将声、光、 电、热效应互相联系起来，成为一类重要的功能材 料 2、什么是铁电 体材料？ 一、铁电 体材料相关概 念 （1）极化 polarization 在电场作用下，电介质中束缚着的电荷 发生位移或者极性按电场方向转动的现象，称为 电介质的极化单位面积的极化电荷量称为极化 强度，它是一个矢量，用P表示，其单位为C/m2 3、相关概念 一、铁电 体材料相关概 念 （3）介电常数 dielectric constant 表征材料极化并储存电荷能力的物理量称 为介电常数，用ε表示，无量纲。

（2）自发极化 spontaneous polarization 在没有外电场作用时，晶体中存在着 由于电偶极子的有序排列而产生的极化，称为自 发极化在垂直于极化轴的表面上，单位面积的 自发极化电荷量称为自发极化强度 3、相关概念 一、铁电 体材料相关概 念 介质的极化特性与其晶体结构有着深刻的内在 联系 按照其对称性，晶体可分为7大晶系，32种点群，其中 有20种点群不具有中心对称，它们的电偶极矩可因弹性 形变而改变，因而具有压电性并称为压电 体在压电体 中具有唯一极轴（又称为自发极化轴）的10种点群可出 现自发极化，即在无外电场存在的情况下也存在电极化 它们因受热产生电荷，故称为热释电 体在这些极性 晶体中，因外加电场作用而改变自发极化方向的晶体便 是铁电体因此，凡是铁电体必然是热释电体，而热释 电体也必然是压电体 3、相关概念 一、铁电 体材料相关概 念 电介质材料 压电材料：石英 热释电材料：电气石 铁电材料：KDP 压电陶瓷材料 PZT 3、相关概念 一、铁电 体材料相关概 念 铁电材料的介电常数可高达103～104（普 通电介质的介电常数仅为几十），具有功能多、 用途广、品种繁多的特点。

利用其高介电常数的特点，可以用于制 作小体积、大容量的低频电容器，广泛应用在滤 波、旁路、隔直等电子线路中 利用其压电特性，可以用于制作压电陶 瓷谐振器、滤波器、压电传感器、超声换能器、 压电变压器等电子元器件 3、相关概念 一、铁电 体材料相关概 念 ABO3型钙钛矿结 构 钙钛矿结构以BaTiO3的结构为代表，许多 铁电、介电、压电、光电以及高温超导材料都具有 钙钛矿结构，如： BaTiO3, PbZrO3 (Na1/2Bi1/2)TiO3，(K1/2Bi1/2)TiO3 Pb(Zn1/3Nb2/3)O3，Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 4. 铁电 材料的钙钛矿结 构 一、铁电 体材料相关概 念 a 简单钙钛矿结 构化合物ABO3型 A位：+2价阳离子，如Mg2+， Ca2+，Sr2+，Ba2+， Zn2+，Pb2+等 B位：+4价阳离子，如Ti4+，Zr4+等 典型化合物： BaTiO3 ， CaTiO3 ， SrTiO3 ， PbTiO3 ，ZnTiO3 ， BaZrO3 ， PbZrO3 等 4. 铁电 材料的钙钛矿结 构 一、铁电 体材料相关概 念 b 复合钙钛矿结 构化合物 （A1 x1 A2x2）（B1y1B2y2）O3型 A1A2占据A位，满足条件： 其中：x1，x2分别为A1离子和A2离子化学 计量比:x1+x2=1 A位化合价= A1x1+A2 x2=+2价 4. 铁电 材料的钙钛矿结 构 一、铁电 体材料相关概 念 B1B2占据B位，满足条件： B位化合价= B1y1+B2 y2=+4价 B1离子：低价阳离子，如Mg2+，Zn2+，Ni2+，Fe3+等 B2离子：高价阳离子，如Ti4+，Nb5+，Ta5+，W6+ 等 y1，y2分别为B1离子和B2离子化学计量比:y1+y2=1 4. 铁电 材料的钙钛矿结 构 b 复合钙钛矿结 构化合物 （A1 x1 A2x2）（B1y1B2y2）O3型 一、铁电 体材料相关概 念 A位变化形成的化合物： (A+11/2A+31/2)TiO3型 (Na1/2Bi1/2)TiO3(K1/2Bi1/2)TiO3 (A1+2A2+2)TiO3型 (Sr,Ba)TiO3 (Mg,Zn)TiO3 (Sr,Ba)ZrO3 (Sr,Pb)ZrO3 4. 铁电 材料的钙钛矿结 构 一、铁电 体材料相关概 念 4. 铁电 材料的钙钛矿结 构 Pb(B+21/3B+52/3)O3型 Pb(B+32/3B+61/3)O3型 Pb(B+21/2B+61/2)O3型 Pb(B+31/2B+51/2)O3型 B位变化形成的化合物： A(B1+4，B2+4)O3型 Pb(Zn1/3Nb2/3)O3，Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 Pb(Ni1/3Nb2/3)O3， Pb(Mg1/3Ta2/3)O3 Pb(Mg1/2W1/2)O3，Pb(Co1/2W1/2)O3 Pb(Fe1/2Nb1/2)O3，Pb(Fe1/2Ta1/2)O3 Pb(Ti，Zr)O3， Ba(Ti，Zr)O3 Pb(Fe2/3W1/3)O3，Pb(Mn2/3W1/3)O3 二、铁电 体材料的特性 电滞回线 Hysteresis loop 居里温度 Curie temperature Tc 介电反常 Dielectric anomalous 二、铁电 体材料的特性 1、电畴 ferroelectric domain 铁电体内自发极化相同的小区域称为电 畴，电畴与电畴之间的交界称为畴壁。

两种：90畴壁和180畴壁 二、铁电 体材料的特性 电滞回线是铁电体的一个特征它表示 铁电晶体中存在电畴它是铁电体的极化强度P 随外加电场强度E的变化轨迹 2、铁电 体的电滞回线 hysteresis loop 饱和极化强度Ps 剩余极化强度Pr 矫顽电场 强度Ec 二、铁电 体材料的特性 Sawyer-Tower 电路 2、铁电 体的电滞回线 hysteresis loop 二、铁电 体材料的特性 使剩余极化强度降为零时的电场值Ec称为矫顽电 场强度（矫顽场 ） 在强电场作用下，使多畴铁电体变为单畴铁电体 或使单畴铁电体的自发极化反向的动力学过程称为畴的反 转 Ps：饱和极化强度 Pr：剩余极化强度 A→B→C→B→D→F →G→H→K→C 变化过程 ： 2、铁电 体的电滞回线 hysteresis loop 二、铁电 体材料的特性 3、压电 效应 piezoelectric effect 晶体受到机械力的作用时，表面产生束缚 电荷，其电荷密度大小与施加外力大小成线性关系 ，这种由机械效应转换成电效应的过程称为正压电 效应 力→形变→电压 正压电效 应 电压→形变 逆压 电效应 晶体在受到外电场激励下产生形变，且二 者之间呈线性关系，这种由电效应转换成机械效应 的过程称为逆压电效应。

二、铁电 体材料的特性 4、电致伸缩效应 electrostrictive effect 晶体在受到外电场 E激励下产生形变S，但二 者呈非线性关系，形变S与 电场的平方E2呈线性关系 ，即： S∝E2 这种效应称为电致伸缩效 应 二、铁电 体材料的特性 与压电效应的区别 ： 压电效应产生的应变与 电场成正比，当电场反向时， 应变改变符号，即正向电场使 试样伸长，反向电场使试样缩 短 电致伸缩效应产生的 应变与电场的平方成正比，当 电场反向时，应变不改变符号 ，即无论正向电场或反向电场 均使试样伸长（缩短） 4、电致伸缩效应 electrostrictive effect 二、铁电 体材料的特性 5、热释电 效应 pyroelectric effect 在10种具有单一极轴的点群晶体中，绝缘 或半绝缘的极性晶体因为温度均匀改变而使晶体出 现结构上的电荷中心相对位移，使自发极化强度发 生变化，从而在两端产生异号的束缚电荷，这种现 象称为热释电 效应 二、铁电 体材料的特性 当晶体从高温降温经过TcTc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TcTc时，晶体不具有铁电性，温度低于Tc Tc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 6、居里温度（Tc） 二、铁电 体材料的特性 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” 7、介电反常—临界特征 二、铁电 体材料的特性 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；T为绝对温度 ；T0为顺电居里温度，或称居里-外斯温度 8、居里—外斯定律Curie-Weiss law 三、典型材料与应用 BaTiO3陶瓷材料的铁电性能在1942年被 人们发现，由于其性能优良，工艺简便，很快被应 用于介电、压电元器件。

1954年人工法成功制备出 BaTiO3单晶，至今， BaTiO3陶瓷仍是应用的最广 泛和研究得比较透彻的一种铁电材料 1、BaTiO3陶瓷材料 三、典型材料与应用 ＞120℃—立方晶胞 6℃～120℃—四方晶胞 -90℃～6℃—斜方晶胞 ＜-。