铁电体特性及材料 ppt课件.ppt

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1、第四章铁电体特性及材料铁电性、铁电体及铁电陶瓷铁电性晶体在某温度范围内具有自发极化Ps,且Ps的方向能随外电场而取向，称为铁电体。材料的这种性质称为铁电性。铁电体特性包括电滞回线Hysteresisloop、电畴Domains、居里点Tc及居里点附近的临界特性。自发极化的产生在热释电体中,高度极化状态,Ps很高,外场难以改变Ps方向少数,在E作用下Ps可重新定向----铁电体铁电体(Ferroelectrics):PsEPs重行定向-----铁电体的最重要判据------铁电体具有许多独特性质的主要原因铁电性与晶体对称性的关系m3m

2、130oC4mm0oCmm2-90oC3mPs:[001][110][111]电畴结构外电场作用下，180o畴的反转不产生应变，而非180o畴的反转则由于受到相邻畴的约束而产生应变。电畴Domains电畴的电镜照片电畴取向电畴取向与晶体的对称性有关铁电体中自发极化方向一致的微小区域四方BaTiO3中Ti4+离子的周围BaTiO3晶格在（100）面上的投影电畴取向（I）BaTiO3四方相：90°、180°立方→四方PS的可能取向[±1,0,0],[0,±1,0],[0,0,±1]共6种，这6个方向的夹角只有90°、180°四方相

3、夹角图示电畴取向（II）BaTiO3正交相：60°、120°、180°、90°[011]12个等效方向正交相夹角图示电畴取向（III）BaTiO3三方相：71°、109°、180°[111]8个等效方向三方相夹角图示电畴取向（IV）铁电畴的空间分布形态还与材料的缺陷、杂质分布、电导率、弹性、介电常数、内应力、制备过程、几何外形、表面状态等有关。电畴稳定性电畴的稳定结构应使Gibbs自由能G1最小G1=Es+Ew+Ed其中：Es静电能Ew畴壁能Ed退极化能BaTiO3畴壁厚：5~20Å(180o畴壁)5~100Å(90o畴壁)畴壁能：10

4、erg/cm2(180o畴壁)2~4erg/cm2(90o畴壁)BaTiO3畴壁两侧电矩取向通常为：头－尾相对电畴壁结构电畴壁两侧极化矢量不连续磁畴壁(Bloch壁)中磁化矢量连续变化电畴成核与生长过程BaTiO3晶体的新畴成核速率与外加电场有关，即n/t∞e-/E新畴向前生长的速度v近似为:v=(E-E0)电畴运动与电滞回线电畴在晶界处萌发电滞回线Hysteresisloop电滞回线：铁电体的滞后于外电场而变化的轨迹（如右图）非线性电滞回线电滞回线是铁电体的重要物理特征之一，也是判别铁电性的一个重要判决Ps－饱和极化强度Pr－

5、剩余极化强度（remanentpolarization）含铅陶瓷的Pr一般在30~40µC/cm2Ec－矫顽场强（corcivefield）~2KV/cm－~120KV/cm按照Ec大小可将铁电体分为：软铁电体－小Ec硬铁电体－大Ec驻极体的P－E曲线可能由于不同的上下电极引起的（水平移动），具有内偏置场的铁电体在一个电极－铁电界面上具有俘获空间电荷的铁电体（垂直移动）居里点Tc(I)居里点：顺电相→铁电相的转变温度T>Tc顺电相T

6、2O上居里点:24℃下居里点:-18℃居里点Tc(II)(c)R.S(d)BaTiO3(a)KDP(KH2PO4)(b)TGS(NH2CH2COOH)3·H2SO4PbTiO3若干参数的温度特性临界特性（II）铁电体的介电、弹性、光学和热学性质在居里点附近出现反常，即出现峰值可达104~105当T>Tc时，~T关系服从居里-外斯定律：C:居里-外斯常数T:绝对温度T0:居里-外斯温度KTa1-xNbxO3介电特性ɛ＝C/(T-To)铁电体的临界现象----“介电反常”介电常数反映电畴在电场下转向的难易程度在Tc下,电畴定向的活化能接近于

7、零,微弱电场足以使其定向,故介电常数最大铁电体分类按极化轴分两类沿一个晶轴极化：罗息盐、磷酸二氢钾、硫酸铵沿几个晶轴极化：BaTiO3、LiNbO3根据铁电体在非铁电相有无对称中心分两类在顺电相的晶体结构无对称中心，有压电效应，如：RS、KDP在顺电相的晶体结构有对称中心，无压电效应，如：BaTiO3、PbTiO3按组分和结构特征分类含氢键铁电体，如：KDP、RS、TGS含氧化物铁电体，如：BT、LN按居里-外斯常数分类C≈105量级，位移型，如：BT、SbSIC≈103量级，有序无序型，如：KDP、RS、TGS、NaNO3C≈10量级

8、,如：(NH4)2Cd2(SO4)3双氧化物铁电体(I)BaTiO3>120℃立方(点群m3m)120℃>T>5℃四方(4mm)[001]5℃>T>-90℃正交(mm)[011]T<-90℃三方(3m)[1