浅谈弛豫铁电体的研究状况及进展

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1、浅谈弛豫铁电体的研究状况及进展摘要：铁电材料具有良好的铁电性、压电性、热释电以及非线性光学等特性，特别是驰豫铁电体是近20年发展起来的国际高新技术材料。本文主要介绍了驰豫铁电体的介电特征和理论模型，总结概括了BaTiO3基复合钙钛矿型驰豫铁电体的研究和铁电体的研究新进展。关键词：铁电材料驰豫铁电体中图分类号：一、弛豫铁电体的介电特征铁电体是一类特殊的电介质，其介电常数的特点是数值大、非线性效应强、有着显著的温度依赖性和频率依赖性。但是由于其结构的原因，很多铁电体的居里温度偏高，使其介电常数在较高温度时才有最大值，而在室温下介电常数远小于居里点的介电常数，从而大大限制了其使用性能。因此

2、必须改变铁电体的结构使其居里温度降低、介电常数增大、适用的温度范围变宽，由此提出了弛豫铁电体(RFE)的概念。1955年G.I.Skanavi首先在钛酸锶铋(SBT)铁电体中发现一个明显的弥散区域，而后G.A.Smolenkii等又发现了一大类以铌镁酸铅(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3，PMN)为代表的复合钙钛矿型化合物，它们既有明显的铁电性，又呈现出强烈的弛豫特性。这类材料便被称为扩散相变型铁电体(DPT)或弛豫型铁电体(RFE)。严格来说，把具有以下介电特征的铁电体称为弛豫铁电体[1,2]：一是相变弥散，即铁电到顺电相变是一个渐变的过程，没有一个确定的居里温度Tc，表现为介电常

3、数与温度的关系曲线中介电峰的宽化，通常将其介电常数最大值所对应的温度Tm作为一个特征温度；二是频率色散现象，即在Tm温度以下，随频率增加，介电常数下降，损耗增加，介电峰和损耗峰向高温方向移动；三是在转变温度Tm以上仍然存在较大的自发极化强度。弛豫铁电体的介电常数和温度的关系不再符合Curie-Weiss定律。弛豫铁电体主要有复合钙钛矿型驰豫铁电体，钨青铜型驰豫铁电体和聚合物驰豫铁电体，其中复合钙钛矿型驰豫铁电体是近年来研究得最多的一类。弛豫铁电体具有极高的介电常数、相对低的烧结温度以及由“弥散相变”引起的较低容温变化率，大的电致伸缩系数和几乎无滞后的特点，使其在多层陶瓷电容器(MLC

4、C)和新型电致伸缩器件方面有着巨大的应用前景；透明弛豫铁电体具有优异的电光和开关特性，可用于电光存储、开关和记忆元件。二、弛豫铁电体的理论模型典型的弛豫铁电体材料为PMN、PZT、PZN和PST(Pb(Sc1/2Ta1/2)O3等。针对弛豫铁电体的这些弛豫特性，人们先后提出了一系列的理论模型来解释，这些理论深化了人们对这类材料的认识，为更好地利用这类材料提供了理论指导。同时弛豫铁电体实际应用的发展更使理论研究走向深入，因此有必要回顾一下这些理论：成分波动理论前苏联学者GASmolensky和VAIsupov提出了著名的成分波动理论(SI模型)：极化是顺电立方相与轻度畸变的铁电相之间的

5、扩散相变引起的。在复合钙钛矿型晶体中，同一个结晶学位置可能由不同种B位离子(如Mg2+、Nb5+)随机占位，B位两种离子的无序分布导致材料内部化学组分的不均匀，从而使其内部不同微观区域具有不同的化学成分，而弛豫铁电体的铁电-顺电相变温度(居里温度)对成分非常敏感，这就使不同微观区域具有不同的居里温度。各个微观区域性质的总合就表现为弛豫铁电体的宏观性能，呈现出一种宽化行为，即铁电-顺电相变发生在一个弥散性的居里温区，相变范围内的每一个温度点上都是铁电相和顺电相共存。当温度很高时，晶体中绝大部分区域都是顺电相。当温度T略低于所有微区中最高的Tc时，部分居里温度较低的区域由顺电相转变为铁电

6、相，在顺电基体中形成一个个孤立的铁电极性微区。极性微区的临界尺寸大约为10nm左右。对于每一个极性微区，自发极化可以沿几个对称的晶体方向，例如在PMN中，有八个等价的[111]方向为易极化方向。热扰动使极化微区的电偶极矩在这几个方向之间跃迁。施加外场时，电偶极矩将转向与外电场最接近的方向。这种固有电偶极矩的转向极化就导致了频率色散。温度进一步降低，铁电区逐渐融合，并在材料中整体占优，导致顺电相成为分布在铁电基体中的孤立“岛屿”；当温度很低时，顺电相完全转化为铁电相。因此，VAIsupov认为铁电微区及其边界的弛豫是弛豫铁电体特有的弛豫机制，并且定性说明了弛豫铁电体介电常数和介电损耗随

7、频率及温度的变化关系，使得成分波动理论成为人们广泛接受的理论模型。成分波动理论可以定性解释弛豫铁电体的一些主要特点，如弥散相变、频率色散、Tm温度以上剩余极化等。材料中成分起伏的说法至今仍被用来解释弛豫电介质中的现象，而且它最早提出了极性微区的概念，是今后铁电介电弛豫理论发展的基础概念。但它没有指出这些微区在结构上有什么特征，也不能解释准同型相界的存在，如在PMN-PT(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3)中，当PT<33mol%时呈现弛豫体特