鐵電材料及其應用

1、鐵電材料及其應用目錄 引言 鐵電薄膜的晶體結構 鐵電薄膜的電性能鐵電薄膜的電性能 鐵電薄膜的應用鐵電薄膜的應用 總結什么是鐵電材料？什么是鐵電材料？鐵電體鐵磁體具有自發(fā)磁化的現(xiàn)象壓電材料和鐵電材料壓電材料和鐵電材料壓電材料壓電材料：壓電材料：機械能與電能相互轉換的功能材料。鐵電材料：鐵電材料：具有壓電效應材料中，能自發(fā)極化的一類材料。熱釋電材料壓電材料一般介電材料一般介電材料壓電材料熱釋電材料鐵電材料在晶體中，如果晶胞中正負電荷中心不重合，在晶體中，如果晶胞中正負電荷中心不重合，即每一個晶胞具有一定的固有偶極矩，由于即每一個晶胞具有一定的固有偶極矩，由于晶體結構的周期性和重復性，晶胞的固有偶晶

2、體結構的周期性和重復性，晶胞的固有偶極矩便會沿同一方向排列整齊，使晶體處于極矩便會沿同一方向排列整齊，使晶體處于高度極化狀態(tài)。這種在無外電場作用下存在高度極化狀態(tài)。這種在無外電場作用下存在的極化現(xiàn)象稱為的極化現(xiàn)象稱為自發(fā)極化自發(fā)極化 鐵電材料的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀鐵電材料的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀羅息鹽時期羅息鹽時期發(fā)現(xiàn)鐵電性kdp時期時期熱力學理論鈣鈦礦時期鈣鈦礦時期軟模理論鐵電薄膜及其器件時期鐵電薄膜及其器件時期小型化時間事件人物1824在羅息鹽中發(fā)現(xiàn)熱釋電性brewster1921發(fā)現(xiàn)羅息鹽具有鐵電性valasek1935busch19441949devonshire1951提出反鐵電體概念1964研制

3、出鐵電半導體(ptc)器件1977研制出鐵電薄膜1993鐵電薄膜和硅技術結合鐵電薄膜的晶體結構及自發(fā)極化鐵電薄膜的晶體結構及自發(fā)極化氧八面體排列 原胞鈦酸鋇晶體及自發(fā)極化鈦酸鋇晶體及自發(fā)極化鈦酸鋇的氧八面體結構立方晶相立方晶相：a = b = c， = = = 90四方晶相四方晶相：a = b c， = = = 90正交晶相正交晶相： a b c = = = 90三角晶相三角晶相：a = b = c = = 90自發(fā)極化的微觀機制自發(fā)極化的微觀機制u極軸導致自發(fā)極化u熱運動引起的自發(fā)極化u有序無序型極化-+-+-+-+極極化化軸軸c-+-+極性軸導致的自發(fā)極化極性軸導致的自發(fā)極化-+-+固固有

4、有偶偶極極子子正正電電荷荷與與負負電電荷荷層層交交替替排排列列-+-+-+-+ 氧八面體空腔體積大于鈦離子體積，給鈦離子位移的余地。氧八面體空腔體積大于鈦離子體積，給鈦離子位移的余地。 由熱運動導致的自發(fā)極化由熱運動導致的自發(fā)極化較高溫度時，較高溫度時，鈦離子熱振動能較大，難于在偏離中心的某一個鈦離子熱振動能較大，難于在偏離中心的某一個位置上固定下來，接近六個氧離子的幾率相等，晶體保持高的位置上固定下來，接近六個氧離子的幾率相等，晶體保持高的對稱性，自發(fā)極化為零。對稱性，自發(fā)極化為零。 較低溫度時，鈦離子熱振動能降低，因熱漲落，熱振動能特別低的離子占很較低溫度時，鈦離子熱振動能降低，因熱漲落，

5、熱振動能特別低的離子占很大比例，其能量不足以克服氧離子電場作用，有可能偏離平衡位置向某一個大比例，其能量不足以克服氧離子電場作用，有可能偏離平衡位置向某一個氧離子靠近，偶極矩間的相互作用使偏離平衡位置的離子在新平衡位置上固氧離子靠近，偶極矩間的相互作用使偏離平衡位置的離子在新平衡位置上固定下來，并使這一氧離子出現(xiàn)強烈極化，發(fā)生自發(fā)極化，使晶體順著該方向定下來，并使這一氧離子出現(xiàn)強烈極化，發(fā)生自發(fā)極化，使晶體順著該方向延長，晶胞發(fā)生輕微畸變，由立方變?yōu)樗姆骄w。延長，晶胞發(fā)生輕微畸變，由立方變?yōu)樗姆骄w。 圖圖 b鐵電薄膜的電性能 介電性 壓電性 熱釋電性 鐵電性介電性 壓電性壓電效應：壓電效應

6、：當晶體受到機械力的作用時，表面將產生束縛電荷，電荷密度的大小和所受到的機械力成線性關系，這種由機械力產生電效應的過程稱之為壓電效應壓電效應。 壓電介質壓電介質機械能機械能電能電能正壓電效應正壓電效應逆壓電效應逆壓電效應壓電效應及可逆性壓電效應及可逆性(1)(1)壓電單晶壓電單晶典型典型 代表代表石英晶體石英晶體壓電效應的物理機制壓電效應的物理機制晶體內部正負離子的偶極矩在外力的晶體內部正負離子的偶極矩在外力的作用下由于晶體的形變而被破壞，導作用下由于晶體的形變而被破壞，導致使晶體的電中性被破壞，從而使其致使晶體的電中性被破壞，從而使其在一些特定的方向上的晶體表面出現(xiàn)在一些特定的方向上的晶體表

7、面出現(xiàn)剩余電電荷而產生的。剩余電電荷而產生的。xyxyxyxy(a)(a)(b)(b)(c)(c)(d)(d)逆壓電效應和電致伸縮效應的區(qū)別 與逆壓電效應的區(qū)別與逆壓電效應的區(qū)別es逆壓電效應逆壓電效應電致伸縮效應電致伸縮效應熱釋電性熱釋電性熱釋電性：由于溫度的變化，晶體出現(xiàn)結構上的電荷中心相對位移，使自發(fā)極化強度發(fā)生變化，從而在兩端產生異號的束縛電荷，這種現(xiàn)象稱之為熱釋電性熱釋電性壓電體和熱釋電體的區(qū)別和聯(lián)系區(qū)別因為溫度變化引起晶體脹縮無方向性，因此由政府電荷中心位移產生的壓電晶體并不產生熱釋電效應聯(lián)系雖然溫度變化引起晶體脹縮無方向性，但是由于自發(fā)極化偶極矩的存在使熱釋電晶體具有壓電效應鐵電

8、性u 電疇的概念疇：原子或離子有序排列的區(qū)域，疇與疇之間的邊界叫做疇壁。e90疇壁180疇壁自發(fā)極化剩余極化矯頑電場 cbodefaabo&c&fde cbodefa改進型的sawyer & tower 電路sawyer & tower 電路因為cx和c0是串聯(lián)的，故兩個電容器上的電荷是一樣多的，即： qx =qc=q 因為樣品的有效面積a和電容c是已知的，a/c為常數(shù)故u2與電位移d成正比。對于壓電陶瓷，r1，故d p，因此u2與p成正比 電容器上的電壓u2接到示波器的垂直致偏電極上，垂直幅度uy與電壓u2成正比，也就是說，示波器垂直幅度與電位移d（或極化強度p）成正比。 水平致偏電極則接到

9、電位器w的滑動接點上，由于ccx，故uu1，因此水平致偏電極之間的水平幅度電壓ux正比于試樣兩端的電壓u1，而試樣兩端的電場強度e=u1/d，因此在示波器上可以觀察到p-e（或d-e）曲線，即電滯回線。 當溫度高于某一數(shù)值時，由于熱擾動，當溫度高于某一數(shù)值時，由于熱擾動，自發(fā)極化變?yōu)榱悖w將不再具備鐵電自發(fā)極化變?yōu)榱?，晶體將不再具備鐵電性，這一臨界溫度就稱為性，這一臨界溫度就稱為居里溫度居里溫度tc。 在居里點以下，由于存在自發(fā)極化，晶在居里點以下，由于存在自發(fā)極化，晶體呈現(xiàn)鐵電性，為鐵電相。居里電以上，體呈現(xiàn)鐵電性，為鐵電相。居里電以上，材料為順電相。材料為順電相。 batio3的例子：的

10、例子： 120 0120 05 5 90909 9 順電相順電相鐵電相鐵電相鐵電相鐵電相鐵電相鐵電相立方相立方相四方相四方相正交相正交相三方相三方相 晶體在發(fā)生順電晶體在發(fā)生順電-鐵電相變或其它極化狀態(tài)發(fā)生變化鐵電相變或其它極化狀態(tài)發(fā)生變化的結構相變時，晶體的一系列物理性質發(fā)生反常變的結構相變時，晶體的一系列物理性質發(fā)生反常變化。例如晶體的介電性質、彈性、壓電性、光學性化。例如晶體的介電性質、彈性、壓電性、光學性質、熱學性質等大都出現(xiàn)明顯的變化。晶體在相變質、熱學性質等大都出現(xiàn)明顯的變化。晶體在相變點附近發(fā)生的各種性能反常變化通稱為臨界現(xiàn)象。點附近發(fā)生的各種性能反常變化通稱為臨界現(xiàn)象。cccttct居里外斯定律 順電相的介電常數(shù)遵循：居里外斯常數(shù)； ：居里外斯溫度鐵電薄膜的應用 聲表面濾波器(surface acoustic wave filter) saw換能器 熱釋電探測器 存儲器壓電基片壓電基片吸聲材料吸聲材料聲表面濾波器的