第四章鐵電體晶體

第四章鐵電體晶體第1頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.1鐵電晶體的自發(fā)極化1．什么是鐵電晶體？具有那些基本性質(zhì)？（掌握）2．什么是電滯回線與電疇？電滯回線的特征通常用那些參數(shù)來(lái)描述？（掌握）3．鐵電體的介電系數(shù)是如何定義的？（掌握）4．鐵電體是如何分類的？（掌握）返回第2頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1．什么是鐵電晶體？具有那些基本性質(zhì)？（掌握）晶體在沒有外加電場(chǎng)作用下，正負(fù)電荷重心不重合而呈現(xiàn)電偶極矩的現(xiàn)象稱為晶體電介質(zhì)自發(fā)極化，凡呈現(xiàn)自發(fā)極化，且自發(fā)極化方向能夠因外施電場(chǎng)方向而改變的晶體，稱為鐵電晶體。鐵電體的一些基本性質(zhì)：（1）鐵電體具有熱釋電性（2）鐵電體具有壓電性（3）鐵電體P-E曲線是非線性的多值函數(shù)，該多值函數(shù)通常用電滯回線描述返回下一頁(yè)第3頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2．什么是電滯回線與電疇？電滯回線的特征通常用那些參數(shù)來(lái)描述？（掌握）

極化強(qiáng)度P隨電場(chǎng)增加過程與電場(chǎng)減少過程所形成的曲線并不是同一條曲線而在一定區(qū)域內(nèi)形成閉合曲線，該閉合曲線稱為電滯回線。電疇：自發(fā)極化并非整體晶體同向，而是包含各個(gè)不同方向的自發(fā)極化小區(qū)域，在此小區(qū)域極化方向相同、極化強(qiáng)度相同、存在一固有電矩，這個(gè)小區(qū)域稱為電疇。電疇的取向只能根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性沿特定的幾個(gè)方向取向。例如四角鈦酸鋇晶體的電疇結(jié)構(gòu)：返回第4頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2．什么是電滯回線與電疇？電滯回線的特征通常用那些參數(shù)來(lái)描述？（掌握）剩余極化強(qiáng)度：當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度降低到零時(shí)，極化強(qiáng)度并不降為零而有一剩余極化強(qiáng)度，它相當(dāng)于它是自發(fā)極化的剩余部分，而不是自發(fā)極化的全部，稱為剩余極化強(qiáng)度自發(fā)極化強(qiáng)度：線性部分BC的延長(zhǎng)線與極化軸的截矩表示自發(fā)極化強(qiáng)度，是對(duì)每一個(gè)電疇來(lái)說的，相當(dāng)于每一個(gè)電疇固有的飽和極化強(qiáng)度。返回第5頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三矯頑電場(chǎng)：使極化強(qiáng)度為零的電場(chǎng)回線面積：電場(chǎng)變化一周所需的能量返回第6頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3．鐵電體的介電系數(shù)是如何定義的？（掌握）通常所說的介電系數(shù)是在小訊號(hào)電場(chǎng)作用下測(cè)得的介電系數(shù)定義為鐵電體的介電系數(shù)，又稱為微分介電系數(shù)，其數(shù)學(xué)定義式為返回第7頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4．鐵電體是如何分類的？（掌握）（1）按相變的微觀結(jié)構(gòu)分：位移型相變鐵電體：非水溶性的硬鐵電體屬于位移型相轉(zhuǎn)變鐵電體，具有氧八面體結(jié)構(gòu)。典型物質(zhì)有鈦酸鋇、鈮酸鎘、鈮酸鍶。成因是：居里點(diǎn)以下，氧八面體中心離子產(chǎn)生偏心位移而形成偶極子，而氧離子則使偶極子之間耦合，產(chǎn)生自發(fā)式極化。有序無(wú)序型鐵電體：水溶性的軟鐵電體屬于此類鐵電體。成因是：氫鍵的協(xié)調(diào)作用而使偶極子自發(fā)地有序排列從而產(chǎn)生自發(fā)極化。此類方法方便于分析理解鐵電性的起因。返回第8頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（2）按結(jié)晶化學(xué)分類含有氫鍵的晶體：這類晶體通常是從水溶液中生長(zhǎng)出來(lái)的，故常被稱為水溶性鐵電體，又叫軟鐵電體。典型物質(zhì)：磷酸二氫鉀（KDP）、三甘氨酸硫酸鹽（TGS）、羅息鹽（RS）。雙氧化物晶體這類晶體是從高溫熔體或熔鹽中生長(zhǎng)出來(lái)的，又稱為硬鐵電體．其中很多是以氧離子八面體為基本結(jié)構(gòu)單元的，并在氧離子間隙中填有高價(jià)正離子。典型物質(zhì)有：BaTiO3KNbO3KTaO3等返回第9頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（3）按極化軸多少分類單晶軸極化：極化只能沿一個(gè)晶軸方向極化的鐵電體。典型物質(zhì)：RS、KDP

多晶軸極化：極化可以沿多個(gè)晶軸方向極化的鐵電體。典型物質(zhì)：BaTiO3等此分類方法方便鐵電疇的研究。返回第10頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（4）按鐵電體在非鐵電相時(shí)有無(wú)對(duì)稱中心分類無(wú)對(duì)稱性鐵電體：一般具有壓電效應(yīng)。典型物質(zhì)鉭鈮酸鉀（KTN）、磷酸二氫鉀（KDP）有對(duì)稱性鐵電體：一般無(wú)壓電效應(yīng)。典型物質(zhì)：BaTiO3、三苷肽硫酸（TGS）適用于鐵電相變的熱力學(xué)處理。返回第11頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.2鐵電體的結(jié)構(gòu)和相變1．羅息鹽的鐵電性有哪些規(guī)律和特點(diǎn)？（掌握）2．KDP的鐵電性有哪些規(guī)律和特點(diǎn)？（掌握）3．BaTiO3的鐵電性有哪些規(guī)律和特點(diǎn)（掌握）返回第12頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1．羅息鹽的鐵電性有哪些規(guī)律和特點(diǎn)？（掌握）（1）羅息鹽晶體結(jié)構(gòu)是斜方晶系，只在沿晶軸a的方向具有自發(fā)極化（2）在-18℃和23℃時(shí)取得a軸方向的兩個(gè)最大值，其他方向的介電系數(shù)幾乎不隨溫度的變化而變化。返回第13頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（3）在自發(fā)極化區(qū)域之外的居里點(diǎn)附近滿足居里-外斯定律：（4）自發(fā)形變大，壓電模數(shù)大。（5）抗氣候能力差，工作溫度窄

返回第14頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2．KDP的鐵電性有哪些規(guī)律和特點(diǎn)？（掌握）（1）室溫下：KDP是四角晶系，沒有對(duì)稱中心，具有壓電性。（2）123K：KDP正交晶系，極化軸為原四角系的c軸。（3）從室溫附近開始隨溫度的下降，c向介電系數(shù)迅速增加到居里點(diǎn)極大值，而隨溫度下降c向介電系數(shù)迅速下降，a向介電系數(shù)隨溫度的下降變化不明顯。居里點(diǎn)的50℃的范圍之內(nèi)服從居里-外斯定律第15頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（4）自發(fā)極化強(qiáng)度隨溫度的升高逐漸下降，至居里相變點(diǎn)附近，極化強(qiáng)度是連續(xù)變化的，且迅速下降。相變?yōu)槎?jí)相變。第16頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3．BaTiO3的鐵電性有哪些規(guī)律和特點(diǎn)（掌握）（1）有三個(gè)鐵電相變溫度120℃時(shí)（居里點(diǎn)）：四角晶系極化軸為c軸（001）0℃時(shí)：?jiǎn)涡本禈O化軸為（011）-90℃時(shí)：三角晶系極化軸為（111）返回第17頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（2）在居里點(diǎn)處或其它相變點(diǎn)處極化強(qiáng)度與介電系數(shù)隨T變化迅速變化。（一級(jí)相變?yōu)樘S式變化，二級(jí)相變?yōu)檫B續(xù)式變化）返回第18頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（3）升溫或降溫，自發(fā)極化強(qiáng)度與溫度的關(guān)系曲線不同，存在熱滯回線返回第19頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（4）a向介電系數(shù)與c向介電系數(shù)相差很大（5）多晶體的介電系數(shù)返回第20頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.3鐵電晶體的電疇結(jié)構(gòu)1.什么是電籌及電籌結(jié)構(gòu)？為何需要了解電籌結(jié)構(gòu)？（了解）2．實(shí)驗(yàn)上如何觀察電疇？（掌握）3．鈦酸鋇電疇結(jié)構(gòu)特征是什么？（掌握）4．鈦酸鋇在外電場(chǎng)作用下其疇的極化反轉(zhuǎn)是如何進(jìn)行的？其速率特征和影響因素是什么？（了解）返回第21頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.什么是電籌及電疇結(jié)構(gòu)？為何需要了解電疇結(jié)構(gòu)？（了解）晶體內(nèi)部在退極化電場(chǎng)的作用下，就會(huì)分裂出一系列自發(fā)極化方向不同的小區(qū)域，使其各自所建立的退極化電場(chǎng)互相補(bǔ)償，直到整個(gè)晶體對(duì)內(nèi)、對(duì)外均不呈現(xiàn)電場(chǎng)為止。這些由自發(fā)極化方向相同的晶胞所組成的小區(qū)域便稱為電疇，分隔相鄰電疇的界面稱為躊壁。鐵電體的性能從微觀上講是由電疇結(jié)構(gòu)所決定的，有什么樣的電疇結(jié)構(gòu)就具有什么樣的鐵電性能。因此欲了解鐵電體的基本性能及其成因就必須考察鐵電體的電疇結(jié)構(gòu)返回第22頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2．實(shí)驗(yàn)上如何觀察電疇？（掌握）（1）電子顯微鏡觀察法：

SEMTEMAFMSTM

（2）偏光顯微鏡晶片的不同區(qū)域在不同位置消光，那么就表示這些不同的區(qū)域包含有不同極軸方向的疇。返回第23頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三偏光顯微鏡觀察的電疇返回第24頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三偏光顯微鏡觀察的電疇返回第25頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2．實(shí)驗(yàn)上如何觀察電疇？（掌握）（1）電子顯微鏡觀察法：

SEMTEMAFMSTM（2）偏光顯微鏡晶片的不同區(qū)域在不同位置消光，那么就表示這些不同的區(qū)域包含有不同極軸方向的疇。（3）液晶法方法是用一向列型液晶覆蓋在晶體表面，由于晶體疇結(jié)構(gòu)的極性影響，會(huì)使液晶分子形成一個(gè)與疇結(jié)構(gòu)相應(yīng)的重新取向的花樣，再通過偏光顯微鏡便能清楚地觀察到電疇的結(jié)構(gòu)。返回第26頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（4）粉末花樣法在絕緣的液體中，用有顏色的帶電粉末沉積到鐵電體極性端上，用反射式顯微鏡來(lái)觀察（5）化學(xué)腐蝕法利用鐵電體中的偶極矩的兩端在酸中腐蝕的速度不同而觀察電疇的結(jié)構(gòu)。一般偶極矩的正端被酸浸蝕的速度很快，而負(fù)端浸蝕的速度要慢得多返回第27頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三化學(xué)腐蝕法觀察電疇返回第28頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3．鈦酸鋇電疇結(jié)構(gòu)特征是什么？（掌握）（1）四角晶相：90°疇和180°疇（2）正交晶相：180°疇，60°疇和120°疇（3）三方晶相：71°疇和109°疇返回第29頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4．鈦酸鋇在外電場(chǎng)作用下其疇的極化反轉(zhuǎn)是如何進(jìn)行的？其速率特征和影響因素是什么？（了解）（1）新疇成核通常用成核速率描述成核過程的速率主要影響因素：樣品厚度、溫度及外電場(chǎng)強(qiáng)度、疇的結(jié)構(gòu)。（2）新疇生長(zhǎng)過程通常用兩個(gè)速度描述生長(zhǎng)過程尖劈生長(zhǎng)速度：對(duì)確定材料主要決定于溫度和電場(chǎng)強(qiáng)度疇壁生長(zhǎng)速度：比尖劈生長(zhǎng)速度小幾個(gè)數(shù)量級(jí)返回第30頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（3）對(duì)180°疇空間電荷將阻礙新疇的生長(zhǎng)速度。（4）90°疇的生長(zhǎng)方向與外電場(chǎng)成45°角，生長(zhǎng)速度較180°疇快。（5）實(shí)際鈦酸鋇晶體多種疇結(jié)構(gòu)同時(shí)存在，其極化反轉(zhuǎn)過程相互影響而形成復(fù)雜的疇結(jié)構(gòu)。返回第31頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三疇的極化反轉(zhuǎn)返回第32頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.4反鐵電晶體1．什么叫鐵畸變與反鐵畸變相變？什么叫鐵電體與反鐵電體？（掌握）2．PbZrO3反鐵電有哪些主要特點(diǎn)？（掌握）返回第33頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1．什么叫鐵畸變與反鐵畸變相變？什么叫鐵電體與反鐵電體？（掌握）（1）“鐵畸變”相變：在這類相變中，每個(gè)原晶胞中化學(xué)式單位的數(shù)目z在相變時(shí)不變。（2）“反鐵畸變”相變：在這類相變中，新的(低溫)原晶胞中的化學(xué)式單位數(shù)目是舊的(高溫)原晶胞中化學(xué)式單位數(shù)目的整數(shù)倍。（3）鐵電體：極性長(zhǎng)程有序的晶體，即存在自發(fā)極化且隨電場(chǎng)變化而變化的晶體（4）反鐵電體