铁电体的介电常数.pdf

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1、第34卷第2期大学物理Vol．34No．22015年2月COLLEGEPHYSICSFeb．2015殻櫍櫍櫍櫍櫍殻櫍櫍殻教学研究櫍櫍櫍櫍櫍殻铁电体的介电常数曹万强(有机化工新材料湖北省协同创新中心;湖北大学材料科学与工程学院，武汉430062)摘要:比较了电介质物理学和铁电物理学对介电常数定义的差异．这种差异导致了解释实验结果方面相反的结论:铁电体物理学能够很好地解释极化强度增大导致介电常数减小的实验结果和外加直流电场下铁电体的介电可调行为，而电介质物理学得到的却是相反的结论．其原因是铁电材料介电常数在

2、顺电相仅来源于横光学模的贡献，在铁电相来源于横光学模和偶极子极化，且偶极子极化会引起损耗．数学推导证实弛豫铁电行为的成份分布不是高斯分布函数．关键词:介电常数;铁电体物理学;电介质物理学中图分类号:O482．4文献标识码:A文章编号:1000-0712(2015)02-0025-04［3］介电常数(又称电容率)是人们极其熟悉的物电介质物理认为，理想介质中介电常数主要14理量，它描述了材料对电场的响应及容纳电荷的能由3个部分构成:频率达到10Hz的电子位移极1113力．由于有较高的介电常数和较好的温度稳定

3、性，化、10～10Hz的离子位移极化和低频的偶极子以铁电材料为主的片式微型多层电容器广泛地应用取向极化，3种极化以并联形式对介电常数起作在各种的电子器件中．另外，铁电材料的介电常数用．当偶极子的取向极化增大时，介电常数增大．由效应还在其它领域有着广泛的应用，如压电效应、此被认为是一般电介质的普遍规律．然而，绝大多电致伸缩效应和热释电效应．在介电物理的研究领数普遍使用的陶瓷电容器及其各种相关功能器件均域，人们主要基于的是电介质理论，它适用于以偶是以铁电相变为基础，通过掺杂其它物质以展宽相极子为对象的一般介

4、质．然而，铁电材料突出的介变温度从而实现增大电容量和提高温度稳定性．在电性能是以铁电相变为主，以离子光学模振动的软高温顺电相只有因掺杂导致的较弱的偶极子极化并［1］化为主要贡献，包含有偶极子极化的综合效应．表现出极高的介电常数，这种趋势延续到了相变后在介电性能的机理分析上不同于电介质物理，即电的低温铁电相，并随着偶极子极化强度的出现而急介质物理中的基本公式不适用于描述铁电体的介电剧下降，与电介质的情况刚好相反，但人们仍在使用性，极化对介电常数贡献的原理也不同．因此，详电介质的理论解释与其矛盾的实验现象:

5、即P=ε0细了解铁电体的介电性对研究铁电材料十分必要．(εr－1)E≈ε0εrE公式已经对铁电体不再适用了，却尽管介电常数可以通过测量电容算出，但其定还频繁出现在各种文献中并用其分析实验结果．义在各个专业领域却有差异．电磁学考虑的是静态1铁电体的介电常数介电常数或极化率，其相对介电常数εr被定义为D=ε0εrE．其中，D为电位移，E为有效电场而不是Landau－Ginzburg－Devonshire的经典相变理［2］外电场，它包含了外加电场与极化介质的效应．论被公认为铁电相变的基础，其结论能够很好地解然

6、而，在电介质物理中，同样的公式虽然存在，但释铁电相变的各种实验现象．其出发点是热力学的意义不同，E不再是有效场，而是动态的外加电场，基本公式，导出的是介电隔离率(介电常数的倒数)它以正弦波的变化形式加在介质上．有效场需要单与温度和极化强度之间的关系．在压强和温度不变独考虑，在洛伦兹的条件下，球形介质的有效电场的条件下，考虑无外加电场时二阶相变铁电体的弹［3］性吉布斯自由能G为［1，4］为－P/3，P是极化强度．1收稿日期:2013－12－16;修回日期:2014－05－29基金项目:湖北大学教学改革项目

7、(201202)资助作者简介:曹万强(1962—)，男，浙江宁波人，湖北大学材料科学与工程学院教授，博士．26大学物理第34卷［6］1214电可调系数．ε(0)和ε(E)分别是加电场前后的G1=G10+α0(T－T0)P+βP(1)24介电常数．大量铁电体的介电－温度实验证明，加其中，G10为常数，!0和β为正数．当铁电体处于T电场后介电常数的温度谱整体下降，T(E)为＞T0的顺电相时，P的增加会使G1单调增大，没有正［7，8］．由于直流电场会导致极化强度的增大，用稳定的极化状态;而当铁电相处于T＜T0

8、的铁电相电介质理论不能解释此现象，因此在一般文献中没时，G1的一阶导数在自发极化为0时，有最小的能有理论讨论，而从式(2)可以得到明确的解释，极谷，为稳定状态．由G1的一阶和二阶导数可以分别化强度的增大导致了介电隔离率的增大［6，9］．［1，4］得到电场E和介电隔离率λ:2弛豫铁电体的介电常数G13=E=α0(T－T0)P+βPP弛豫铁电体是介电常数在铁电相弥散和顺电相(2)2G112出现偶极子极化微畴并伴随各种复杂现象的铁电2=λ=