4.4鐵電性(材料物理性能)

6.4鐵電性一、鐵電體，鐵電體的特點二、鐵電體的居里外斯定律三、鐵電性的特點本節(jié)內(nèi)容：

復(fù)習(xí)：1、介電擊穿的類型2、影響介電擊穿的因素PEOABECPrCPs1整理ppt1〕鐵電體是非線性介質(zhì)即極化強度和外施電壓的關(guān)系是非線性的。一、鐵電體沒有外加電場時，介質(zhì)的極化強度等于零。有外電場時，介質(zhì)的極化強度與宏觀電場E成正比。備注：線性介質(zhì)

是一類特殊的電介質(zhì)材料，在一定溫度范圍內(nèi)含有能自發(fā)極化，并且發(fā)極化方向可隨外電場作可逆轉(zhuǎn)動的晶體。1、鐵電體的特點2整理ppt

即其極化狀態(tài)并非由外電場所引起，而是由晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點所引起，晶體中每個晶胞內(nèi)存在固有電偶極矩。2〕鐵電體是極性晶體注意：鐵電晶體一定是極性晶體，但并非所有的極性晶體都是鐵電體3整理pptBa2+Ti4+O-3〕鐵電體的極化是自發(fā)極化第二類是有序—無序型，其自發(fā)極化同個別離子的有序化相聯(lián)系；典型的有序—無序型晶體是含有氫鍵的晶體，這類晶體中質(zhì)子的有序化運動引起自發(fā)極化，例如KH2PO4晶體，該晶體具有鐵電體的特征。A.按相轉(zhuǎn)變的自發(fā)極化機構(gòu)鐵電體分兩類：第一類是位移型，其自發(fā)極化同一類離子的亞點陣相對于另一類亞點陣的整體位移相聯(lián)系。位移型鐵電體的結(jié)構(gòu)大多同鈣鈦礦結(jié)構(gòu)及鈦鐵礦結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。鈦酸鋇是典型的鈣鈦礦型的鐵電體。????????

°°4整理ppt鐵電體5整理ppt

例1：由位移引起的自發(fā)極化

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偏離平衡位置的離子在新的位置上穩(wěn)定下來，同時晶體結(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)????????

°°Ba2+Ti4+O-其自發(fā)極化的出現(xiàn)主要是晶體中原子〔離子〕位置變化的結(jié)果。B.鐵電體的自發(fā)極化的機制6整理ppt極化前晶體結(jié)構(gòu)：等軸晶系〔大于120oC〕：晶胞常數(shù)：a=4.01A氧離子的半徑：1.32A鈦離子的半徑：0.64鈦離子處于氧八面體中，兩個氧離子間的空隙為：4.01－2×1.32=1.37鈦離子的直徑：2×0.64=1.28鈦酸鋇的結(jié)構(gòu)：鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)????????

°°自發(fā)極化過程：氧八面體空腔體積大于鈦離子體積，給鈦離子位移的余地。較高溫度時，熱振動能比較大，鈦離子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，晶體保持高的對稱性，自發(fā)極化為零。Ba2+Ti4+O-7整理ppt溫度降低到120℃，低于距離溫度，鈦離子平均熱振動能降低，因熱漲落，熱振動能特別低的離子占很大比例，其能量缺乏以克服氧離子電場作用，有可能向某一個氧離子靠近，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，使晶體順著這個方向延長，晶胞發(fā)生輕微畸變，由立方變?yōu)樗姆骄w。????????

°°Ba2+Ti4+O-????????

°°8整理ppt--+++---++--++++++--++++極化軸C-++--+纖鋅礦(ZnS)結(jié)構(gòu)在〔010〕上投影表示晶體極性鏈的兩種方法例2：具有極性軸或結(jié)構(gòu)本身具有自發(fā)極化的結(jié)構(gòu)+-+-固有偶極子正電荷層與負(fù)電荷層交替排列-+-+-+-+9整理ppt4〕鐵電體具有鐵電性在一些電介質(zhì)晶體中，晶胞的結(jié)構(gòu)使正負(fù)電荷重心不重合而出現(xiàn)電偶極矩，產(chǎn)生不等于零的電極化強度，使晶體具有自發(fā)極化。晶體的這種性質(zhì)叫鐵電性〔ferroelectricity〕。當(dāng)鐵電體的晶胞自發(fā)極化而出現(xiàn)電矩時，相鄰晶胞的電矩可以同向排列形成電疇，并出現(xiàn)鐵電性；相間反向排列而成為反鐵電性。

與鐵磁體的磁滯回線形狀類似,所以人們把這類晶體稱為鐵電體(其實晶體中并不含有鐵)10整理ppt在自發(fā)極化出現(xiàn)前的非極性晶體稱為順電性晶體。順電性晶體與鐵電性晶體的轉(zhuǎn)變溫度稱為鐵電居里點TC。當(dāng)T>TC時，鐵電相轉(zhuǎn)變?yōu)轫橂娤?，電滯回線消失，這時P與E一般有線性關(guān)系P=ε0χE，并且介電常數(shù)服從居里外斯定律C為居里常數(shù)，θ為特征溫度。ε∞代表電子位移極化對介電常數(shù)的奉獻二、鐵電體的居里外斯定律居里點附近居里外斯定律為忽略ε∞11整理ppt指鐵電體的微觀結(jié)構(gòu)性質(zhì)，以及因此而可能顯示出來的宏觀性質(zhì)電滯回線、電疇結(jié)構(gòu)、自發(fā)極化以及相應(yīng)的晶胞形變〔自發(fā)應(yīng)變〕、居里點、居里外斯定律等。〔一〕鐵電性幾個重要特征1、鐵電疇鐵電體自發(fā)極化的方向不相同，但在一個小區(qū)域內(nèi)，各晶胞的自發(fā)極化方向相同，這個小區(qū)域就稱為鐵電疇(ferroelectricdomains)。兩疇之間的界壁稱為疇壁。假設(shè)兩個電疇的自發(fā)極化方向互成90°，那么其疇壁叫90°疇壁。此外，還有180°疇壁等。三、鐵電體的鐵電性180°和90°疇1〕鐵電疇的形成12整理ppt與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。BaTiO３的鐵電相晶體結(jié)構(gòu)有四方、斜方、菱形三種晶系，它們的自發(fā)極化方向分別沿［001］，［011］，［111］方向，這樣，除了90°和180°疇壁外，在斜方晶系中還有60°和120°疇壁，在菱形晶系中還有71°，109°疇壁。2〕電疇取向13整理ppt無外加電場時，電疇在晶體中分布雜亂無章，使整個晶體表現(xiàn)為電中性，宏觀上無極性。外電場作用時，沿電場方向極化疇長大，逆電場方向的疇消失，其它方向分布的電疇轉(zhuǎn)到電場方向，極化強度隨外加電場的增加而增加，一直到整個結(jié)晶體成為一個單一的極化疇為止。如再繼續(xù)增加電場只有電子與離子的極化效應(yīng)，和一般電介質(zhì)一樣。3〕電疇運動-極化過程電疇運動是通過在外電場作用下新疇的出現(xiàn)、開展以及疇壁的移動來實現(xiàn)的。14整理ppt鐵電電滯回線(Ps為自發(fā)極化強度，Ec為矯頑力〕電滯回線是鐵電態(tài)的一個標(biāo)志

鐵電體是電介質(zhì)材料中一個很重要的分支，它是一種特殊相變的產(chǎn)物。在從高對稱性轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛯ΨQ性的過程中，伴隨著發(fā)生自發(fā)極化或亞點陣極化。1〕電滯回線的形成鐵電體微觀結(jié)構(gòu)的特點決定了它有許多特殊的宏觀性質(zhì)，從而區(qū)別于普通電介質(zhì)。2、鐵電體的電滯回線鐵電體的電滯回線是鐵電疇在外電場作用下運動的宏觀描述。PEOABECPrCPs15整理ppt沿電場方向的電疇擴展，變大；而與電場反平行方向的電疇那么變小。極化強度隨外電場增加而增加，如圖中oA段曲線。電場強度繼續(xù)增大，最后晶體電疇方向都趨于電場方向，類似于單疇，極化強度到達飽和，這相當(dāng)于圖中C附近的局部。鐵電電滯回線A.施加電場EPOABECPrCPsPsPr16整理ppt自發(fā)極化強度Ps

：鐵電晶體晶胞中的電偶極矩是電介質(zhì)在轉(zhuǎn)變?yōu)殍F電體時自發(fā)出現(xiàn)的,其數(shù)值為一定值。這個數(shù)值除以晶胞的體積所得到的商稱為自發(fā)極化強度PS。再增加電場，P與E成線性關(guān)系(類似于單個彈性偶極子)。將這線性局部外推至E=0時的情況，此時在縱軸P上的截距稱為自發(fā)極化強度Ps。自發(fā)極化強度PsPOABECPrCPsPsPrE17整理pptB.去電場過程晶體的極化強度亦隨之減小在零電場處，仍存在剩余極化強度Pr。剩余極化：90°電疇的轉(zhuǎn)向是不充分的，而且，由于轉(zhuǎn)向時引起較大內(nèi)應(yīng)力，所以這種轉(zhuǎn)向不穩(wěn)定。當(dāng)外加電場撤去后，那么有小局部電疇偏離極化方向，恢復(fù)原位，大局部電疇那么停留在新轉(zhuǎn)向的極化方向上，這叫剩余極化。一般在外電場作用下，180°疇轉(zhuǎn)向比較充分,比較穩(wěn)定。剩余極化強度Pr：POABECPrCPsPsPrE18整理ppt反向電場繼續(xù)增大，極化強度才開始反向。C.施加反向電場矯頑力Ec到達一值Ec，剩余極化全部消失。Ec常稱為矯頑電場強度，如果它大于晶體的擊穿場強，那么在極化強度反向前，晶體就被擊穿，那么不能說該晶體具有鐵電性。

由于極化的非線性，鐵電體的介電常數(shù)不是常數(shù)。一般以O(shè)A在原點的斜率來代表介電常數(shù)。POABECPrCPsPsPrεE19整理ppta〕極化溫度的影響極化溫度較高的，其電滯回線形狀比較細(xì)長。因為溫度高時電疇運動容易，因而矯頑力和到達飽和極化強度需的極化電壓都降低。b〕環(huán)境溫度的影響內(nèi)部自發(fā)極化發(fā)生改變，尤其是在相界處(晶型轉(zhuǎn)變溫度點)變化最為顯著。例如，Ba-TiO3在居里溫度附近，電滯回線逐漸閉合為一直線(鐵電性消失)。A.溫度2〕電滯回線形狀的影響因素“預(yù)極化〞工藝：鐵電疇在外電場作用下的“轉(zhuǎn)向〞，使得介質(zhì)材料具有宏觀剩余極化強度，即材料具有“極性〞。POABECPrCPsPsPrεE20整理pptB.極化時間和極化電壓對電滯回線的影響電疇轉(zhuǎn)向需要一定的時間，時間適當(dāng)長一點，極化就可以充分化強度。極化電壓對電疇轉(zhuǎn)向有類似的影響、極化電壓加大，電疇轉(zhuǎn)向程度高，剩余極化變大。POABECPrCPsPsPrεE21整理pptBaTiO3單晶和多晶體電滯回線就不完全相同：BaTiO3單晶的電滯回線既窄又陡接近于矩形，Ps和Pr很接近，而且Pr較高；BaTiO3陶瓷的電滯回線既寬又斜。C.晶體結(jié)構(gòu)對電滯回線的影響B(tài)aTiO3陶瓷的電疇結(jié)構(gòu)與BaTiO3單晶電疇結(jié)構(gòu)的差異，導(dǎo)致兩者之間在鐵電性質(zhì)方面的微小差異。原因22整理ppt鐵電材料在外加交變電場作用下都能形成電滯回線，不同材料和不同工藝條件對電滯回線的形狀都有很大的影響。3〕電滯回線的意義A.判定鐵電體的依據(jù)B.由于有剩余極化強度，因而鐵電體可用來作信息存儲、圖象顯示。目前已經(jīng)研制出一些透明鐵電器件，如鐵電存儲和顯示器件、光閥，全息照相器件等，就是利用外加電場使鐵電疇作一定的取向，使透明介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)變化。23整理ppt純鈦酸鋇陶瓷的介電常數(shù)在室溫時約1400，在居里點(120℃)附近，介電常數(shù)增加很快，可高達6000-l0000。四、鐵電體的介電特性移蜂效應(yīng)在鐵電體中引入某種添加物生成固溶體，改變原來的晶胞參數(shù)和離子間的相互聯(lián)系，使居里點向低溫或高溫方向移動，這就是“移蜂效應(yīng)〞。為了