无机材料化学(第10讲)课件.ppt

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1、3.2.5铁电性在热释电晶体中，有一部分晶体不仅在一定温度范围内具有自发极化，而且自发极化的方向（或偶极矩）可以在外电场作用下重新取向，其极化强度(P)与电场强度(E)间不呈线性关系(压电体和热释电体P∝E)，而是呈现一定的电滞回线行为(即具有电滞性质)。这类晶体被称之为铁电体。铁电体所具有的上述性质称为铁电性。1、电滞回线电滞回线电滞回线即极化曲线：是铁电体在外电场中极化时极化强度P对电场强度E的关系曲线。OAB：起始极化曲线；Ps：饱和极化强度；Pr：剩余极化强度Ec：矫顽电场铁电体极化滞后于电场变化

2、的情形与铁磁体磁化滞后于磁场变化相类似，与磁滞回线对应，上述回线称为电滞回线，且称具有电滞回线的晶体为铁电体，实际上材料中不一定含有铁。2、铁电居里温度铁电体的自发极化是在一定温度范围内出现的。当温度高于某一值时，自发极化消失，没有铁电性，称为顺电体（态）；当温度低于该值时，重新出现自发极化，获得铁电性。这一转变温度称为居里温度，用Tc表示。例如：BaTiO3Tc=120℃；KNbO3Tc=434℃PbTiO3Tc=490℃；LiNbO3Tc=1210℃，居里温度Tc是从非自发极化状态过渡至自发极化状态，

3、或由顺电态变为铁电态的温度。居里温度是铁电体的特征温度，在该温度上下，晶体发生结构变化，由非极性结构转变为极性结构。这种变化是顺电到铁电的相变。3、自发极化与电畴结构以BaTiO3为例说明铁电体的自发极化和电畴结构。BaTiO3结构随温度变化如下：温度范围：1733~393k　　　393~278k晶胞参数：a=b=c=0.401nm　a=b=0.399nm,c=0.403nmα=β=γ＝900α=β=γ＝900当温度高于120℃时，BaTiO3为立方晶系，钙钛矿型结构Ti4+和O2-的中心距是0.2005

4、nmTi4+和O2-离子半径之和0.132+0.064=0.196nmTi4+和O2-离子之间还有0.2005–0.196=0.0045nm的间隙钙钛矿晶体结构Ti4+所处氧八面体中的氧平面当温度>120℃时，Ti4+的平均热振动能量比较高，Ti4+只作弹性位移，且靠近六个氧离子的几率相等（等轴晶系），其平均位置处于氧八面体间隙中心，并不特别偏向某一氧离子，此时晶体保持对称结构，无自发位移，正负电中心重合，不出现电偶极矩，不发生自发极化。当温度<120℃时，Ti4+平均热振动能量降低，已不足以克服其与O2

5、-离子之间的相互作用。此时，Ti4+离子有可能向某一O2-离子靠近，并使该O2-离子发生强烈的电子位移极化，使其与这个O2-离子间的作用增强，结果Ti4+就偏离中心位置，发生自发位移，使单元晶胞结构畸变，正负电荷中心不重合，产生偶极矩（即自发极化），在出现自发极化的同时，晶胞外形发生变化，在Ti4+离子位移的方向，晶轴伸长，而其它两个方向则略缩短，于是BaTiO3的晶格由立方晶系转变为四方晶系。自发位移使单元晶胞结构畸变(极化后的晶胞可看成一个电偶极子)，并能波及周围晶胞内平均振动能较低的Ti4+离子，使

6、之都沿着同一方向发生位移，这样便形成了自发极化方向相同的小区域---电畴。电畴是自发极化方向相同的晶胞所组成的小区域。若是在理想晶体中，电畴从形成中心开始可一直扩展到整个晶体，使所有单元晶胞的自发偶极矩自发地在同一方向上整齐排列，形成单畴结构。实际晶体中往往从某一中心扩展到晶格缺陷附近就停止，因为到缺陷处自发位移的波及影响发生间断，只好等待另一些自发极化中心出现并各自按不同方向扩展，于是在一个晶体中就出现一系列方向不同的电畴(其方向取决于Ti4+位移的方向)。由于BaTiO3晶体中氧离子位于互相垂直的三个

7、轴上，因此不同电畴中的钛离子的自发位移(自发极化)方向只能是互相反平行或垂直，这种分析与实际观察到BaTiO3晶体中只有反平行和垂直的两类电畴相一致。。BaTiO3的电畴结构，小方格表示晶胞，箭头表示电矩方向。AA分界线两侧电矩取向反平行，称为1800畴壁，BB分界线为90°畴壁。畴的线性尺寸约在10μm。在外电场作用下通过畴壁的移动可使畴的大小和方向改变。单畴内偶极的方向相同，其矢量和为畴的电偶极矩。铁电体的总偶极是各个畴电偶极矩的矢量和。4、电滞回线的微观解释在没有外电场存在时，由于电畴取向是随机的，

8、晶体的总电矩为零。当外加电场时，沿电场方向的电畴变大，逆电场方向和与电场方向成一定角度的电畴逐渐变小，极化强度沿OA曲线随外电场E的增大而增加，一直到整个晶体成为单畴，即电滞回线中的B点，这时所有的畴都沿外电场方向排列，极化强度达到饱和。当外电场继续增加时，就只有电子极化与离子极化随电场有所增加，这时便与普通电介质一样，P—E成直线关系。铁电体的电畴结构可说明电滞回线和铁电居里温度。4、电滞回线的微观解释当电场强度降低时，由于