2016-材料物理性能32

1、2 介電材料的應(yīng)用性能介電材料的應(yīng)用性能熱電性能熱電性能壓電性能壓電性能鐵電性能鐵電性能當(dāng)晶體受熱時(shí)，在兩端會(huì)產(chǎn)生數(shù)量相等而符號(hào)相反的當(dāng)晶體受熱時(shí)，在兩端會(huì)產(chǎn)生數(shù)量相等而符號(hào)相反的電荷，這種由于熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象，被稱為電荷，這種由于熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象，被稱為熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)。具有這種性質(zhì)的材料稱為熱釋電體。具有這種性質(zhì)的材料稱為熱釋電體。 2.1 熱熱(釋釋)電效應(yīng)電效應(yīng) 通常，自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被來(lái)通常，自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被來(lái)自空氣中附著在晶體表面的自由電子所中和，其自空氣中附著在晶體表面的自由電子所中和，其自發(fā)極化電矩不能表現(xiàn)出來(lái)。自發(fā)極化電矩不能表現(xiàn)出來(lái)。溫度變

2、化，正負(fù)電荷重心相對(duì)移位，溫度變化，正負(fù)電荷重心相對(duì)移位，自發(fā)極化自發(fā)極化發(fā)生變化發(fā)生變化 熱電體有硫酸三甘肽、鈦酸鋇、電氣石和蔗糖等。典型材料是典型材料是電氣石電氣石熱電效應(yīng)只發(fā)生在熱電效應(yīng)只發(fā)生在非中心對(duì)稱非中心對(duì)稱的的極性分子之中極性分子之中因?yàn)殍F電體的熱釋電系數(shù)比一般熱電體大得多，故成為因?yàn)殍F電體的熱釋電系數(shù)比一般熱電體大得多，故成為應(yīng)用廣泛的熱電體材料，應(yīng)用廣泛的熱電體材料，鐵電陶瓷鐵電陶瓷Pb(Zr/Ti)O3 (PZT)、(Pb/La)(Zr/Ti)O3 (PLZT) 成為易于通過(guò)組份改變控制成為易于通過(guò)組份改變控制性能、適于批量生產(chǎn)、價(jià)廉的實(shí)用型熱電材料性能、適于批量生產(chǎn)、價(jià)廉

3、的實(shí)用型熱電材料 紅外熱電探測(cè)器紅外熱電探測(cè)器任何物體只要超過(guò)絕對(duì)零度就產(chǎn)生紅外輻射，同可見(jiàn)光一任何物體只要超過(guò)絕對(duì)零度就產(chǎn)生紅外輻射，同可見(jiàn)光一樣，其輻射能夠進(jìn)行折射和反射，這樣便可以探測(cè)到。樣，其輻射能夠進(jìn)行折射和反射，這樣便可以探測(cè)到。紅外光探測(cè)因其獨(dú)有的優(yōu)越性而得到廣泛的重視，并在軍紅外光探測(cè)因其獨(dú)有的優(yōu)越性而得到廣泛的重視，并在軍事和民用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。事和民用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。紅外探測(cè)就是用儀器接受被探測(cè)物發(fā)出或反射的紅外線，紅外探測(cè)就是用儀器接受被探測(cè)物發(fā)出或反射的紅外線，從而掌握被探測(cè)物所處位置的技術(shù)。從而掌握被探測(cè)物所處位置的技術(shù)。熱探測(cè)器熱探測(cè)器利用入射紅外輻射引

4、起利用入射紅外輻射引起敏感元件敏感元件溫度變化，使其有關(guān)物理溫度變化，使其有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量探測(cè)器所吸收的紅外輻射。參數(shù)發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量探測(cè)器所吸收的紅外輻射。 所用材料有所用材料有 (鉭酸鋰鉭酸鋰LiTaO3、鈦酸鋇、鈦酸鋇LiNbO3、鈮酸鍶、鈮酸鍶鋇鋇SBN、陶瓷、陶瓷(Pb(Sn.Sb)O3、-PbTiO3-PbZrO3，PbTiO3)等。等。熱釋電型紅外傳感器是基于熱釋電型紅外傳感器是基于熱電效應(yīng)原理熱電效應(yīng)原理的熱電型紅外傳的熱電型紅外傳感器。感器。熱釋電型紅外傳感器熱釋電型紅外傳感器熱電系數(shù)非常高，熱電原件（鐵鈦酸鉛陶瓷、鉭酸鋰、熱電系數(shù)非常高，熱電原件（鐵鈦酸鉛陶

5、瓷、鉭酸鋰、硫酸三甘酞），溫度變化引起極化變化。硫酸三甘酞），溫度變化引起極化變化。壓電效應(yīng)：在天然水晶（壓電效應(yīng)：在天然水晶（石英晶體）的晶片上，若沿石英晶體）的晶片上，若沿一定方向施加壓力后，它的相應(yīng)的兩個(gè)面上就會(huì)帶電，一定方向施加壓力后，它的相應(yīng)的兩個(gè)面上就會(huì)帶電，這就是把機(jī)械能（壓力）轉(zhuǎn)變成了電能這就是把機(jī)械能（壓力）轉(zhuǎn)變成了電能 2.2 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)Piezoelectric Effect對(duì)晶體對(duì)稱性的研究,法國(guó)Pierre居里發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)Pierre Curie was born in Paris, on May 15, 1859. 正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)：在極性晶體上施加壓力、

6、張力、切向力時(shí)，：在極性晶體上施加壓力、張力、切向力時(shí)，則發(fā)生與應(yīng)力成比例的介質(zhì)極化，同時(shí)在晶體兩端將出則發(fā)生與應(yīng)力成比例的介質(zhì)極化，同時(shí)在晶體兩端將出現(xiàn)正負(fù)電荷?，F(xiàn)正負(fù)電荷。逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)：在極性晶體上施加電場(chǎng)引起極化，則將產(chǎn)：在極性晶體上施加電場(chǎng)引起極化，則將產(chǎn)生與電場(chǎng)強(qiáng)度成比例的變形或機(jī)械應(yīng)力。生與電場(chǎng)強(qiáng)度成比例的變形或機(jī)械應(yīng)力。極化方向極化方向+ + + + + + + + + + + + 極化方向極化方向+ + + + + + + + + + + + 自由電荷自由電荷釋放電荷釋放電荷極化方向極化方向+ + + + + + + + + + + + + + + + + 正壓電效應(yīng)正

7、壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)的電位移與施加的應(yīng)力有如下關(guān)系：正壓電效應(yīng)的電位移與施加的應(yīng)力有如下關(guān)系： D=dTd:壓電常數(shù)壓電常數(shù)逆壓電效應(yīng)的應(yīng)變與施加的電場(chǎng)強(qiáng)度有如下關(guān)系：逆壓電效應(yīng)的應(yīng)變與施加的電場(chǎng)強(qiáng)度有如下關(guān)系： S=dEd:壓電常數(shù)壓電常數(shù)注：正、逆壓電效應(yīng)的壓電常數(shù)一樣。注：正、逆壓電效應(yīng)的壓電常數(shù)一樣。壓力效應(yīng)的機(jī)理壓力效應(yīng)的機(jī)理 壓電效應(yīng)首先是在水晶晶體上發(fā)現(xiàn)的，以水晶晶體為壓電效應(yīng)首先是在水晶晶體上發(fā)現(xiàn)的，以水晶晶體為模型，說(shuō)明產(chǎn)生壓電效應(yīng)的物理機(jī)理模型，說(shuō)明產(chǎn)生壓電效應(yīng)的物理機(jī)理。壓力效應(yīng)的機(jī)理壓力效應(yīng)的機(jī)理 當(dāng)不施以壓力時(shí)，水晶晶體正、負(fù)電荷中當(dāng)不施以壓力時(shí)，水

8、晶晶體正、負(fù)電荷中心如圖分布，設(shè)這時(shí)正、負(fù)電荷中心重合，心如圖分布，設(shè)這時(shí)正、負(fù)電荷中心重合，整個(gè)晶體的總電矩等于零，晶體表面不荷整個(gè)晶體的總電矩等于零，晶體表面不荷電（不呈壓電性）電（不呈壓電性）壓力效應(yīng)的機(jī)理壓力效應(yīng)的機(jī)理 當(dāng)沿當(dāng)沿x方向施加壓力方向施加壓力 Fx時(shí)時(shí),晶體發(fā)生晶體發(fā)生形變，正、負(fù)電荷中心分離，形變，正、負(fù)電荷中心分離，電偶極發(fā)生變化，從而在面上出現(xiàn)電偶極發(fā)生變化，從而在面上出現(xiàn)電荷積累，電荷積累，。壓力效應(yīng)的機(jī)理壓力效應(yīng)的機(jī)理 沿沿Y軸方向施加壓力軸方向施加壓力Fy ，正、，正、負(fù)電荷中心的分布改變，總電偶負(fù)電荷中心的分布改變，總電偶極距發(fā)生變化，并在極距發(fā)生變化，并在X

9、面上引起面上引起與電荷積累。與電荷積累。 如果用伸拉力代替前面的壓縮力，如果用伸拉力代替前面的壓縮力，則表明電荷的符號(hào)反過(guò)來(lái)?？傊?，則表明電荷的符號(hào)反過(guò)來(lái)。總之，對(duì)具有壓電性的晶體施加壓力時(shí)，對(duì)具有壓電性的晶體施加壓力時(shí)，可能引起壓電效應(yīng)?？赡芤饓弘娦?yīng)。(1) 單晶類單晶類(single crystal)：石英、電氣石、：石英、電氣石、LiNbO3、LiTaO3。(2) 薄膜類薄膜類 (thin film)：ZnO 等等;(3) 聚合物類聚合物類 (polymer)：PolyVinyliDene Fluoride。(4) 陶瓷類陶瓷類 (ceramic)：BaTiO3、PZT等。等。(5)

10、 復(fù)合材料復(fù)合材料 (composite material)：PVT-PZT 等。等。材料材料 壓電材料主要的參數(shù)壓電材料主要的參數(shù)(1) 壓電常數(shù)壓電常數(shù) 、(2) 彈性常數(shù)、彈性常數(shù)、 (3) 介電常數(shù)介電常數(shù) 、(4) 機(jī)電耦合系數(shù)機(jī)電耦合系數(shù) 、(5) 電阻、電阻、 (6) 居里點(diǎn)居里點(diǎn) 。 最主要的壓電材料最主要的壓電材料鈦酸鋇鈦酸鋇鈦酸鉛鈦酸鉛鋯酸鉛鋯酸鉛鈦鋯酸鉛鈦鋯酸鉛鈣鈦鈣鈦礦型礦型（一）（一） 石英晶體石英晶體 石英（石英（SiO2）具有良好壓電特性。介電常數(shù)和壓電系）具有良好壓電特性。介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當(dāng)好，數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當(dāng)好，在在2020200200范圍內(nèi)

11、，溫度每升高范圍內(nèi)，溫度每升高1，壓電系數(shù)僅減，壓電系數(shù)僅減少少0.0160.016。但是當(dāng)?shù)降钱?dāng)?shù)?73時(shí)，它完全失去了壓電特性，時(shí)，它完全失去了壓電特性，這就是它的這就是它的居里點(diǎn)。居里點(diǎn)。 高溫下高溫下相對(duì)介電常數(shù)相對(duì)介電常數(shù)1.000.990.980.970.960.9520406080 100 120 140 160 180 200dt/d20斜率：斜率：0.016/t6543210100 200 300400 500 600t /相相對(duì)對(duì)介介電電常常數(shù)數(shù)居 里居 里點(diǎn)點(diǎn) 石英晶體的突出優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，石英晶體的突出優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，絕緣性能也相當(dāng)好。

12、絕緣性能也相當(dāng)好。但石英材料價(jià)格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多。但石英材料價(jià)格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多。因此一般僅用于因此一般僅用于標(biāo)準(zhǔn)儀器標(biāo)準(zhǔn)儀器或要求較高的傳感器中或要求較高的傳感器中（二）（二） 壓電陶瓷壓電陶瓷 1 1、 鈦酸鋇陶瓷鈦酸鋇陶瓷BaTiO3具有很高的介電常數(shù)和壓電系數(shù)（為石英晶體的具有很高的介電常數(shù)和壓電系數(shù)（為石英晶體的50倍）。不足之處是居里溫度低（倍）。不足之處是居里溫度低（120，溫度穩(wěn)定性，溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度不如石英。和機(jī)械強(qiáng)度不如石英。2 2、 鋯鈦酸鉛系陶瓷（鋯鈦酸鉛系陶瓷（PZT） 鋯鈦酸鉛是由鋯鈦酸鉛是由PbTiO3和和PbZrO3組成的固溶

13、體組成的固溶體Pb( (Zr/ /Ti) )O3。與。與BaTiO3相比，壓電系數(shù)更大，居里溫相比，壓電系數(shù)更大，居里溫度在度在300以上。以上。鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電式傳感器中應(yīng)用最廣泛鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電式傳感器中應(yīng)用最廣泛的壓電材料。的壓電材料。 4、壓電半導(dǎo)體材料、壓電半導(dǎo)體材料 如如ZnO、CdS 、ZnO 、CdTe，這種力敏器件具有靈，這種力敏器件具有靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。敏度高，響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。ZnO作為表面聲波振蕩器作為表面聲波振蕩器的壓電材料，可測(cè)取力和溫度等參數(shù)。的壓電材料，可測(cè)取力和溫度等參數(shù)。3 3、壓電聚合物、壓電聚合物 聚二氟乙烯（聚二氟乙烯

14、（PVF2）是發(fā)現(xiàn)的壓電效應(yīng)較強(qiáng)的）是發(fā)現(xiàn)的壓電效應(yīng)較強(qiáng)的聚聚合物薄膜合物薄膜。有可撓性，并容易制成大面積壓電元件。有可撓性，并容易制成大面積壓電元件。耐沖擊、不易破碎、穩(wěn)定性好、頻帶寬。為提高其壓電耐沖擊、不易破碎、穩(wěn)定性好、頻帶寬。為提高其壓電性能還可以摻入壓電陶瓷粉末，制成混合復(fù)合材料性能還可以摻入壓電陶瓷粉末，制成混合復(fù)合材料( (PVF2PZT) )。 應(yīng)用應(yīng)用電聲器：揚(yáng)聲器、送話筒、電聲器：揚(yáng)聲器、送話筒、水下通訊和探測(cè)：水聲換能器、魚群探測(cè)器水下通訊和探測(cè)：水聲換能器、魚群探測(cè)器雷達(dá)中的陶瓷表面波器件雷達(dá)中的陶瓷表面波器件通訊設(shè)備：陶瓷濾波器通訊設(shè)備：陶瓷濾波器精密測(cè)量：壓力計(jì)精

15、密測(cè)量：壓力計(jì)紅外技術(shù)：紅外熱電探測(cè)器紅外技術(shù)：紅外熱電探測(cè)器高壓電源：變壓器高壓電源：變壓器壓電陶瓷點(diǎn)火器壓電陶瓷點(diǎn)火器將機(jī)械力轉(zhuǎn)換為電火花而點(diǎn)燃燃燒物的裝置，機(jī)電換能將機(jī)械力轉(zhuǎn)換為電火花而點(diǎn)燃燃燒物的裝置，機(jī)電換能器。器。1958年開(kāi)創(chuàng)利用鈦酸鋇（年開(kāi)創(chuàng)利用鈦酸鋇（BaTiO ）陶瓷的壓電效應(yīng)進(jìn)行）陶瓷的壓電效應(yīng)進(jìn)行點(diǎn)火，但這種材料著火率不高，噪音大，點(diǎn)火，但這種材料著火率不高，噪音大，1962年開(kāi)始試年開(kāi)始試用鋯鈦酸鉛（用鋯鈦酸鉛（PZT）壓電陶瓷制作點(diǎn)火器，）壓電陶瓷制作點(diǎn)火器，廣泛應(yīng)用工業(yè)生產(chǎn)以及軍事，用以點(diǎn)燃?xì)怏w和各類炸藥廣泛應(yīng)用工業(yè)生產(chǎn)以及軍事，用以點(diǎn)燃?xì)怏w和各類炸藥和火箭的引燃

16、引爆。和火箭的引燃引爆。高壓引線高壓引線壓電陶瓷點(diǎn)火器壓電陶瓷點(diǎn)火器墊塊墊塊外外殼殼沖擊塊沖擊塊V A)在氧化鋁襯底上生長(zhǎng)的在氧化鋁襯底上生長(zhǎng)的氧化鋅納米線的掃描電子顯氧化鋅納米線的掃描電子顯微鏡圖像。微鏡圖像。 (B)在導(dǎo)電的原子力顯微鏡在導(dǎo)電的原子力顯微鏡針尖作用下，納米線利用壓針尖作用下，納米線利用壓電效應(yīng)發(fā)電的示意圖。電效應(yīng)發(fā)電的示意圖。 (C)當(dāng)原子力顯微鏡探針掃當(dāng)原子力顯微鏡探針掃過(guò)納米線陣列時(shí)，壓電電荷過(guò)納米線陣列時(shí)，壓電電荷釋放的三維電壓釋放的三維電壓/電流信號(hào)電流信號(hào)圖圖.線性介質(zhì)線性介質(zhì)-電場(chǎng)作用引起電介質(zhì)產(chǎn)生電場(chǎng)作用引起電介質(zhì)產(chǎn)生線性線性極化極化. P= ( 1 o)E

17、= o ( r- 1) E極化強(qiáng)度和外加電場(chǎng)正比極化強(qiáng)度和外加電場(chǎng)正比 電極化效應(yīng)的種類電極化效應(yīng)的種類ferroelectrics非線性介質(zhì)非線性介質(zhì)：外加電場(chǎng)作用下，介質(zhì)極化強(qiáng)度和電場(chǎng)外加電場(chǎng)作用下，介質(zhì)極化強(qiáng)度和電場(chǎng) 關(guān)系是非線性的，這種介質(zhì)之中存在的關(guān)系是非線性的，這種介質(zhì)之中存在的沒(méi)有外電場(chǎng)作用時(shí)沒(méi)有外電場(chǎng)作用時(shí)，材料內(nèi)部，材料內(nèi)部存在著存在著由于電偶極子的排列而產(chǎn)生的極化由于電偶極子的排列而產(chǎn)生的極化，稱為自發(fā)極化。稱為自發(fā)極化。自發(fā)極化自發(fā)極化 -spontaneous polarization +-+-+ -未加應(yīng)力未加應(yīng)力加應(yīng)力不產(chǎn)加應(yīng)力不產(chǎn)生極化生極化加應(yīng)力產(chǎn)生極化，加應(yīng)力

18、產(chǎn)生極化，正負(fù)電荷中心分開(kāi)正負(fù)電荷中心分開(kāi)(1) 不對(duì)稱中心結(jié)構(gòu)，在外不對(duì)稱中心結(jié)構(gòu)，在外力的作用下，可以產(chǎn)生極化力的作用下，可以產(chǎn)生極化+-+未加應(yīng)力未加應(yīng)力加應(yīng)力正負(fù)電荷中心不分開(kāi)，不產(chǎn)生極化加應(yīng)力正負(fù)電荷中心不分開(kāi)，不產(chǎn)生極化結(jié)構(gòu)含有正負(fù)離子結(jié)構(gòu)含有正負(fù)離子(2) 含有對(duì)稱中心的結(jié)構(gòu)含有對(duì)稱中心的結(jié)構(gòu)-(3) 無(wú)對(duì)稱中心，且本身具有自發(fā)極化特性的結(jié)構(gòu)無(wú)對(duì)稱中心，且本身具有自發(fā)極化特性的結(jié)構(gòu)-+-+-+-+極極化化軸軸C-+-+纖鋅礦纖鋅礦(ZnS)結(jié)構(gòu)在（結(jié)構(gòu)在（010）上投影）上投影表示晶體極性鏈表示晶體極性鏈的兩種方法的兩種方法具有極性軸或結(jié)構(gòu)本身具有自發(fā)極化的結(jié)構(gòu)具有極性軸或結(jié)構(gòu)本

19、身具有自發(fā)極化的結(jié)構(gòu)-+-+固固有有偶偶極極子子正正電電荷荷層層與與負(fù)負(fù)電電荷荷層層交交替替排排列列-+-+-+-+ （4）由熱運(yùn)動(dòng)引起的自發(fā)極化）由熱運(yùn)動(dòng)引起的自發(fā)極化鐵電體的位移性理論：鐵電體的位移性理論：自發(fā)極化主要是由晶體中某些離子偏離了平衡位置，自發(fā)極化主要是由晶體中某些離子偏離了平衡位置，使單位晶胞中出現(xiàn)了偶極矩，偶極矩之間的相互作用使單位晶胞中出現(xiàn)了偶極矩，偶極矩之間的相互作用使偏離平衡位置的離子在新的位置上穩(wěn)定下來(lái)，同時(shí)使偏離平衡位置的離子在新的位置上穩(wěn)定下來(lái)，同時(shí)晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了畸變。晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了畸變。鈦酸鋇的結(jié)構(gòu)：鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)鈦酸鋇的結(jié)構(gòu)：鈣鈦礦型結(jié)構(gòu) ABO3：CaTiO

20、3 鈦、氧離子的位移鈦、氧離子的位移固固有有偶偶極極子子自發(fā)極化自發(fā)極化由內(nèi)部結(jié)構(gòu)引起。在這類晶體中，由內(nèi)部結(jié)構(gòu)引起。在這類晶體中，每一個(gè)晶胞內(nèi)存在有每一個(gè)晶胞內(nèi)存在有固有電矩固有電矩。典型鐵電材料鈦酸鋇典型鐵電材料鈦酸鋇BaTiO3鐵電體鐵電體：自發(fā)極化自發(fā)極化-Ba2+、Ti4+和和O2-離子各占據(jù)不同位置，分別離子各占據(jù)不同位置，分別具有正極性和負(fù)極性的極化，其極化中心不重合。具有正極性和負(fù)極性的極化，其極化中心不重合。典型鐵電材料鈦酸鋇典型鐵電材料鈦酸鋇BaTiO3鐵電體鐵電體：自發(fā)極化自發(fā)極化結(jié)構(gòu)起因，氧八面體空腔大于結(jié)構(gòu)起因，氧八面體空腔大于Ti4+離子的體積。離子的體積。Ti離子

21、有足夠的空間因?yàn)闊嵴駝?dòng)能量的不足而偏離平衡位離子有足夠的空間因?yàn)闊嵴駝?dòng)能量的不足而偏離平衡位置置等軸晶系（大于等軸晶系（大于120oC） ： 晶胞常數(shù)：晶胞常數(shù)：a=4.01A 氧離子的半徑：氧離子的半徑：1.32A 鈦離子的半徑：鈦離子的半徑： 0.64鈦離子處于氧八面體中，鈦離子處于氧八面體中，兩個(gè)氧離子間的空隙為：兩個(gè)氧離子間的空隙為：4.012 1.32= 1.37鈦離子的直徑：鈦離子的直徑：2 0.64= 1.28結(jié)果：氧八面體空腔體積大于鈦離子體積，給鈦離子位移結(jié)果：氧八面體空腔體積大于鈦離子體積，給鈦離子位移的余地。的余地。高溫時(shí)，熱振動(dòng)能大，鈦離子難于在偏離中心的某一個(gè)位高溫時(shí)

22、，熱振動(dòng)能大，鈦離子難于在偏離中心的某一個(gè)位置上固定下來(lái)，置上固定下來(lái)，接近六個(gè)氧離子的幾率相等接近六個(gè)氧離子的幾率相等，晶體保持高，晶體保持高對(duì)稱性，自發(fā)極化為零。對(duì)稱性，自發(fā)極化為零。溫度降低，鈦離子熱振動(dòng)能降低，因熱漲落，溫度降低，鈦離子熱振動(dòng)能降低，因熱漲落，其能量不足其能量不足，可能向某一個(gè)氧離子靠近，在平衡位置上固定下來(lái)，出現(xiàn)可能向某一個(gè)氧離子靠近，在平衡位置上固定下來(lái)，出現(xiàn)極化極化(自發(fā)極化自發(fā)極化)，晶胞發(fā)生畸變，由立方變?yōu)樗姆骄w。，晶胞發(fā)生畸變，由立方變?yōu)樗姆骄w。晶格中有無(wú)數(shù)個(gè)天然的偶極子晶格中有無(wú)數(shù)個(gè)天然的偶極子ferroelectrics鐵電性：鐵電性： 電極化規(guī)律具

23、有復(fù)雜的非線性，并且撤電極化規(guī)律具有復(fù)雜的非線性，并且撤去外場(chǎng)后能保留剩余極化，這種性質(zhì)叫去外場(chǎng)后能保留剩余極化，這種性質(zhì)叫鐵電性。鐵電性。鐵電體：鐵電體：具有鐵電性的電介質(zhì)具有鐵電性的電介質(zhì), 弛豫鐵電體弛豫鐵電體在一定溫度范圍內(nèi)具有在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化自發(fā)極化，在外電場(chǎng)作用，在外電場(chǎng)作用下，自發(fā)極化下，自發(fā)極化能重新取向能重新取向，電位移矢量與電場(chǎng)強(qiáng)，電位移矢量與電場(chǎng)強(qiáng)度間的關(guān)系呈度間的關(guān)系呈電滯回線電滯回線特征。特征。 （具有自發(fā)極化的晶體）（具有自發(fā)極化的晶體）ferroelectrics鐵電材料也是一種特殊的壓電材料，極化強(qiáng)度不與施加鐵電材料也是一種特殊的壓電材料，極化強(qiáng)度不

24、與施加的電場(chǎng)成線性關(guān)系，的電場(chǎng)成線性關(guān)系，并具有明顯的滯后并具有明顯的滯后。在外電場(chǎng)的作用下，因?yàn)楸旧砗泄逃械淖园l(fā)極化，所在外電場(chǎng)的作用下，因?yàn)楸旧砗泄逃械淖园l(fā)極化，所以很容易就會(huì)產(chǎn)生極化，而且這種極化明顯具有滯后效以很容易就會(huì)產(chǎn)生極化，而且這種極化明顯具有滯后效應(yīng)應(yīng)-電滯回線電滯回線 鐵電性最主要特征是鐵電性最主要特征是-電滯回線電滯回線鐵電材料的極化隨著外電場(chǎng)的變化（大小和方向）的曲鐵電材料的極化隨著外電場(chǎng)的變化（大小和方向）的曲線。線。電滯回線是鐵電體的一個(gè)重要標(biāo)志。電滯回線是鐵電體的一個(gè)重要標(biāo)志。saturate電滯回線電滯回線電滯回線電滯回線reside 鐵電性鐵電性-電滯回線電

25、滯回線coercive 3 鐵電性鐵電性-電滯回線電滯回線34 鐵電性鐵電性-電滯回線電滯回線345 鐵電性鐵電性-電滯回線電滯回線3456 鐵電性鐵電性-電滯回線電滯回線電疇電疇Domain ：標(biāo)尺200nmPb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbZrO3-PbTiO3固溶體固溶體為什么鐵電體具有電滯回線？為什么鐵電體具有電滯回線？-因?yàn)殍F電體內(nèi)存在有因?yàn)殍F電體內(nèi)存在有電疇（結(jié)構(gòu)）電疇（結(jié)構(gòu)）電疇電疇-鐵電體中存在著自發(fā)極化方向不同的小區(qū)域，鐵電體中存在著自發(fā)極化方向不同的小區(qū)域，那些自發(fā)極化方向相同的小區(qū)域稱為電疇。鐵電體中自那些自發(fā)極化方向相同的小區(qū)域稱為電疇。鐵電體中自發(fā)極化方向一致的微

26、小區(qū)域。發(fā)極化方向一致的微小區(qū)域。鐵電體鐵電體與鐵磁體性能相似的材料，在一定溫度，即使沒(méi)與鐵磁體性能相似的材料，在一定溫度，即使沒(méi)外加電場(chǎng)作用，它本身也會(huì)自發(fā)形成具有一定電矩的分外加電場(chǎng)作用，它本身也會(huì)自發(fā)形成具有一定電矩的分子集團(tuán)，產(chǎn)生一定的電場(chǎng)，這種分子集團(tuán)稱為子集團(tuán)，產(chǎn)生一定的電場(chǎng)，這種分子集團(tuán)稱為電疇電疇。Domain and Domain Wall電疇的形成：許多固有電偶極矩產(chǎn)生自發(fā)平行排列形電疇的形成：許多固有電偶極矩產(chǎn)生自發(fā)平行排列形成一個(gè)疇。成一個(gè)疇。無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)，電疇在晶體中分布雜亂無(wú)章，使整個(gè)無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)，電疇在晶體中分布雜亂無(wú)章，使整個(gè)晶體表現(xiàn)為電中性，宏觀上無(wú)極性。晶體

27、表現(xiàn)為電中性，宏觀上無(wú)極性。外電場(chǎng)作用，外電場(chǎng)作用，沿電場(chǎng)方向極化疇長(zhǎng)大，逆電場(chǎng)方向疇消失沿電場(chǎng)方向極化疇長(zhǎng)大，逆電場(chǎng)方向疇消失，其它方向分布的電疇轉(zhuǎn)到電場(chǎng)方向其它方向分布的電疇轉(zhuǎn)到電場(chǎng)方向，極化強(qiáng)度隨外加電場(chǎng)，極化強(qiáng)度隨外加電場(chǎng)的增加而增加，一直到整個(gè)結(jié)晶體成為一個(gè)單一的極化疇的增加而增加，一直到整個(gè)結(jié)晶體成為一個(gè)單一的極化疇為止。為止。如再繼續(xù)增加電場(chǎng)只有電子與離子的極化效應(yīng)，和一般電如再繼續(xù)增加電場(chǎng)只有電子與離子的極化效應(yīng)，和一般電介質(zhì)一樣。介質(zhì)一樣。61電疇電疇-電滯回線電滯回線電疇電疇-電滯回線電滯回線電疇電疇-電滯回線電滯回線電疇電疇-電滯回線電滯回線4電疇電疇-電滯回線電滯回線電

28、疇電疇-電滯回線電滯回線67鐵電陶瓷的電滯回線鐵電陶瓷的電滯回線Ps極化飽和強(qiáng)度極化飽和強(qiáng)度Pr：剩余極化強(qiáng)度；剩余極化強(qiáng)度；EC ：矯頑場(chǎng)強(qiáng)。矯頑場(chǎng)強(qiáng)。電滯回線是鐵電體的一個(gè)重要標(biāo)志。電滯回線是鐵電體的一個(gè)重要標(biāo)志。鐵電體鐵電體：在一定溫度范圍內(nèi)，含有能自發(fā)極化、且自發(fā)極化方向可在一定溫度范圍內(nèi)，含有能自發(fā)極化、且自發(fā)極化方向可隨外電場(chǎng)作可逆轉(zhuǎn)動(dòng)，具有隨外電場(chǎng)作可逆轉(zhuǎn)動(dòng)，具有電滯回線特征電滯回線特征的材料。即具有的材料。即具有鐵電性晶體。鐵電性晶體。鐵電晶體的特點(diǎn)鐵電晶體的特點(diǎn)：極性晶體、特殊的晶體結(jié)構(gòu)（自發(fā)極化）：極性晶體、特殊的晶體結(jié)構(gòu)（自發(fā)極化）改變方向時(shí)，晶體構(gòu)造不發(fā)生大的畸變。改變

29、方向時(shí)，晶體構(gòu)造不發(fā)生大的畸變。鐵電性的存在是有一定溫度條件的：鐵電性的存在是有一定溫度條件的：如：羅息鹽到如：羅息鹽到24，電滯回線消失，此溫度就是居里溫度電滯回線消失，此溫度就是居里溫度Tc，是居里點(diǎn)，是居里點(diǎn)鐵電性的臨界性質(zhì)鐵電性的臨界性質(zhì)溫度高于溫度高于120度，電極度，電極化強(qiáng)度與電場(chǎng)強(qiáng)度成正化強(qiáng)度與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比（線性變化）。比（線性變化）。鐵電性的臨界性質(zhì)鐵電性的臨界性質(zhì)溫度低時(shí)，極化強(qiáng)度與電溫度低時(shí)，極化強(qiáng)度與電場(chǎng)強(qiáng)度不成正比，場(chǎng)強(qiáng)度不成正比，極化滯后于電場(chǎng)強(qiáng)度的變極化滯后于電場(chǎng)強(qiáng)度的變化，形成電滯回線?；纬呻姕鼐€。鐵電理論鐵電理論I：鐵電宏觀理論：鐵電宏觀理論-朗道相變

30、理論朗道相變理論將對(duì)稱破缺將對(duì)稱破缺(broken-symmetry)引入到相變理論，引入到相變理論，強(qiáng)調(diào)對(duì)稱性的重要性強(qiáng)調(diào)對(duì)稱性的重要性,對(duì)稱性的存在是不容模棱兩對(duì)稱性的存在是不容模棱兩可的可的,高對(duì)稱性相中某一對(duì)稱元素突然消失高對(duì)稱性相中某一對(duì)稱元素突然消失,就對(duì)就對(duì)應(yīng)于相變的發(fā)生應(yīng)于相變的發(fā)生,導(dǎo)致低對(duì)稱相的出現(xiàn)。導(dǎo)致低對(duì)稱相的出現(xiàn)。 對(duì)稱性對(duì)稱性 有序化程度有序化程度降溫過(guò)程中結(jié)構(gòu)畸變，對(duì)降溫過(guò)程中結(jié)構(gòu)畸變，對(duì)稱性下降：稱性下降：如果在一個(gè)軸如果在一個(gè)軸向發(fā)生畸變（如向發(fā)生畸變（如c c軸伸長(zhǎng)或軸伸長(zhǎng)或縮短）縮短） 四方晶系四方晶系 如果在兩個(gè)軸向發(fā)生畸變?nèi)绻趦蓚€(gè)軸向發(fā)生畸變 正交晶

31、系正交晶系如果在如果在111111軸向發(fā)生畸變軸向發(fā)生畸變 三方三方晶系晶系小結(jié)：鈣鈦礦結(jié)構(gòu)及其鐵電性小結(jié)：鈣鈦礦結(jié)構(gòu)及其鐵電性由于由于Ti06Ti06結(jié)構(gòu)的畸變，使一些鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的畸變，使一些鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)中正、負(fù)電荷中心不重合，即晶胞中產(chǎn)生偶極中正、負(fù)電荷中心不重合，即晶胞中產(chǎn)生偶極矩，此現(xiàn)象稱為自發(fā)極化。矩，此現(xiàn)象稱為自發(fā)極化。鐵電存儲(chǔ)器鐵電存儲(chǔ)器 當(dāng)外加電場(chǎng)退到零時(shí)，在鐵電體上仍然保留剩余極化電荷r 利用兩個(gè)穩(wěn)定的極化狀態(tài)：正，負(fù)r為Bolean Algebra 中的編碼或達(dá)到存儲(chǔ)信息的目的FRAM(Ferroelectric Random Access Memory) FRA

32、M器件結(jié)構(gòu) FRAM器件結(jié)構(gòu) FRAM器件結(jié)構(gòu)Sony PS2 Play station 鐵電納米管 鐵電納米管鐵電納米管鐵電存儲(chǔ)器（MFSFET） MFS(Metal Ferroelectric Semiconductor )FET 在在MOS中用鐵電薄膜（中用鐵電薄膜（F）代）代替二氧化硅柵氧化物薄膜（替二氧化硅柵氧化物薄膜（O）構(gòu)成）構(gòu)成MFSFET場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管 由于極化滯后，漏電流展現(xiàn)由于極化滯后，漏電流展現(xiàn)兩種狀態(tài)：開(kāi)，關(guān)兩種狀態(tài)：開(kāi)，關(guān) 讀寫過(guò)程不需要大電場(chǎng)，在讀寫過(guò)程不需要大電場(chǎng)，在讀后也不需重寫。設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單讀后也不需重寫。設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。大電壓下的疲勞 鐵電體、壓電性和熱釋電性之間鐵電體、壓電性和熱釋電性之間 關(guān)系？關(guān)系？（1）一般電介質(zhì)、鐵