《铁电物理与性能学》PPT课件

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1、第六章铁电物理与性能Ferroelectrics基本定义具有自发极化强度,自发极化强度能在外加电场下反转或：具有电滞回线和具有电畴的特点的材料为铁电体Note:铁电体与铁磁体在其它许多性质上也具有相应的平行类似性，“铁电体”之名即由此而来，其实它的性质与“铁”毫无关系。在欧洲（如法国、德国）常称“铁电体”为“薛格涅特电性”（Seignett-electricity）或“罗息尔电性”（Rochell-electricity）。因为历史上铁电现象是首先于1920年在罗息盐中发现的，而罗息盐是在1665年被法国药剂师薛格涅特在罗息这个地方第一次制备出来。主要

2、特征电滞回线hysteresisloop居里温度CurietemperatureTc介电反常Dielectricanomalous铁电畴通常，一个铁电体并不是在一个方向上单一地产生自发极化。但在一个小区域内，各晶胞的自发极化方向都相同，这个小区域称为铁电畴，两畴之间的界壁称为畴壁。铁电畴在外电场作用下，总是要趋向于与外电场方向一致，这形象地称为电畴的“转向”（实际的电畴运动总是通过在外电场作用下新畴的出现、发展以及畴壁的移动来实现的）人工极化：铁电畴在外电场作用下的“转向”，使得铁电材料具有宏观极化强度，即材料具有“极性”剩余极化：当外电场撤去后，有小

3、部分电畴偏离极化方向，恢复原位，大部分电畴则停留在新转向的极化方向上，使材料仍具有宏观剩余极化强度电滞现象与电滞回线（以钛酸钡为例）温度较高时，电极化强度与电场强度成正比。温度较低时，电极化强度与电场强度不成正比，而是滞后于电场强度的变化，形成电滞回线。电滞回线表明，铁电体的极化强度与外电场之间呈现非线性关系，而且极化强度随外电场反向而反向。极化强度反向是电畴反转的结果，所以电滞回线表明铁电体中存在电畴。居里温度（Tc,c）温度高于c时，晶体不具有铁电性，温度低于c时，晶体呈现出铁电性。通常认为晶体的铁电结构是由其顺电结构经过微小畸变而得，所以铁

4、电相的晶格对称性总是低于顺电相的对称性。如果晶体存在两个或多个铁电相时，只有顺电-铁电相变温度才称为居里点；晶体从一个铁电相到另一个铁电相的转变温度称为相变温度或过渡温度。介电反常铁电体的极化强度和外加电压的关系是非线性的，即其介电常数不是一个常数，随外电场的增大而增大铁电体的优点：介电常数可以很大，εr最大可以超过10万，这时制造大容量小体积的电容器十分有意义铁电体的缺点：用作电容器介质材料时，不适宜性也很多。例如：随电压变化大产生电致伸缩现象呈现电滞回线，因而损耗很大耐电性能差老化严重居里-外斯定律Curie-Weisslaw当温度高于居里点时，铁

5、电体的介电常数与温度的关系服从居里-外斯定律：式中：Θ为特征温度，一般低于居里点；C为居里常数；ε∞代表电子极化对介电常数的贡献，在过渡温度时，可以忽略。铁电晶体的分类根据铁电体的极化轴的多少分为两类。一类是只能沿一个晶轴方向极化的铁电体，如罗息盐以及其它酒石酸盐，磷酸二氢钾型铁电体，硫酸铵以及氟铍酸铵等。另一类是可以沿几个晶轴方向极化的铁电体（在非铁电相时这些晶轴是等效的），如钛酸钡、铌酸钾、钾铵铝矾等。这种分类方法便于研究铁电畴。铁电相变无序—有序型相变铁电体（涉及到多组元固溶体中两种或多种原子在晶格点阵上排列有序化）磷酸二氢钾（KDP）为例KDP

6、相变KDP相变(·)表示(H2PO4)-中的两个质子在磷酸根（PO4）3-四面体四周的排列方式KDP晶体中与c轴垂直平面内质子的运动方向KDP相变KDP的铁电性由质子的有序化造成的氢键本身对自发极化强度并无贡献，质子的有序化只是起了协调作用温度低于居里转变温度时，系统的稳定状态为完全极化态。铁电相变位移型相变铁电体（不涉及化学键的破坏，新相和旧相之间存在明显的晶体学位相关系）以BaTiO3为例钛酸钡不同温度下的晶胞结构变化示意图位移型相变铁电体以典型铁电材料——钛酸钡BaTiO3晶体为例，介绍其自发极化的微观模型BaTiO3晶体从非铁电性到铁电性的过渡

7、总是伴随着晶体立方→四方的改变，因此提出了一种离子位移理论，认为自发极化主要是晶体中某些离子偏离了平衡位置，使得单位晶胞中出现了电偶极矩造成的出现自发极化的必要条件是：晶体结构不具有对称中心不具有对称中心的晶体并非都有自发极化效应。CaTiO3属钙钛矿结构，但Ca2+离子半径小，氧八面体空隙小，Ti3+不易移动，因而CaTiO3晶体无自发极化效应BaTiO3极化机理目前普遍认为：钛酸钡的自发极化是由晶胞中钛离子的位移造成的。温度高于居里温度时：钛离子的平均热运动能量足以克服钛离子位移后形成的内电场对钛离子的定向作用。整个晶胞的等效电偶极矩为零，所以不出

8、现自发极化。当温度较低时，钛离子的平均热运动能量位移后因钛氧离子间的相互作用所形成的内电场，因