鐵電性材料物理性能

鐵電性材料物理性能1）鐵電體是非線性介質(zhì)即極化強(qiáng)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(qiáng)度等于零。有外電場時，介質(zhì)的極化強(qiáng)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(diǎn)第2頁,共22頁，2024年2月25日，星期天

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(diǎn)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第3頁,共22頁，2024年2月25日，星期天Ba2+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(yùn)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(jī)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(diǎn)陣相對于另一類亞點(diǎn)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。????????

°°第4頁,共22頁，2024年2月25日，星期天鐵電體第5頁,共22頁，2024年2月25日，星期天

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(jī)制第6頁,共22頁，2024年2月25日，星期天極化前晶體結(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-第7頁,共22頁，2024年2月25日，星期天溫度降低到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，其能量不足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(qiáng)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-????????

°°第8頁,共22頁，2024年2月25日，星期天--+++---++--++++++--++++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-+-+-+-+第9頁,共22頁，2024年2月25日，星期天4）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(qiáng)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(shí)晶體中并不含有鐵)第10頁,共22頁，2024年2月25日，星期天在自發(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(diǎn)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)的貢獻(xiàn)二、鐵電體的居里外斯定律居里點(diǎn)附近居里外斯定律為忽略ε∞第11頁,共22頁，2024年2月25日，星期天指鐵電體的微觀結(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(diǎn)、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。若兩個電疇的自發(fā)極化方向互成90°，則其疇壁叫90°疇壁。此外，還有180°疇壁等。三、鐵電體的鐵電性180°和90°疇1）鐵電疇的形成第12頁,共22頁，2024年2月25日，星期天與晶體結(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）電疇取向第13頁,共22頁，2024年2月25日，星期天無外加電場時，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(qiáng)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(yùn)動-極化過程電疇運(yùn)動是通過在外電場作用下新疇的出現(xiàn)、發(fā)展以及疇壁的移動來實(shí)現(xiàn)的。第14頁,共22頁，2024年2月25日，星期天鐵電電滯回線(Ps為自發(fā)極化強(qiáng)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(diǎn)陣極化。1）電滯回線的形成鐵電體微觀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)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(yùn)動的宏觀描述。PEOABECPrCPs第15頁,共22頁，2024年2月25日，星期天沿電場方向的電疇擴(kuò)展，變大；而與電場反平行方向的電疇則變小。極化強(qiáng)度隨外電場增加而增加，如圖中oA段曲線。電場強(qiáng)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(qiáng)度達(dá)到飽和，這相當(dāng)于圖中C附近的部分。鐵電電滯回線A.施加電場EPOABECPrCPsPsPr第16頁,共22頁，2024年2月25日，星期天自發(fā)極化強(qiáng)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(qiáng)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)。將這線性部分外推至E=0時的情況，此時在縱軸P上的截距稱為自發(fā)極化強(qiáng)度Ps。自發(fā)極化強(qiáng)度PsPOABECPrCPsPsPrE第17頁,共22頁，2024年2月25日，星期天B.去電場過程晶體的極化強(qiáng)度亦隨之減小在零電場處，仍存在剩余極化強(qiáng)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，則有小部分電疇偏離極化方向，恢復(fù)原位，大部分電疇則停留在新轉(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(qiáng)度Pr：POABECPrCPsPsPrE第18頁,共22頁，2024年2月25日，星期天反向電場繼續(xù)增大，極化強(qiáng)度才開始反向。C.施加反向電場矯頑力Ec達(dá)到一值Ec，剩余極化全部消失。Ec常稱為矯頑電場強(qiáng)度，如果它大于晶體的擊穿場強(qiáng)，那么在極化強(qiáng)度反向前，晶體就被擊穿，則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(diǎn)的斜率來代表介電常數(shù)。POABECPrCPsPsPrεE第19頁,共22頁，2024年2月25日，星期天a）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?yàn)闇囟雀邥r電疇運(yùn)動容易，因而矯頑力和達(dá)到飽和極化強(qiáng)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(diǎn))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(qiáng)度，即材料具有“極性”。POABECPrCPsPsPrεE第20頁,共22頁，2024年2月25日，星期天B.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(diǎn)，極化就可以充分化強(qiáng)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。POABECPrCPsPsPrεE第21頁