铁电体材料理论及性综述ppt
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铁电体的第一性原理研究进展PPT课件
总之，VASP是一个成熟、稳定和高效的第一性原理计算软件包。
国内外研究现状
Cohen首次采用第一性原理计算BaTIO3和PbTIO3的电子密度,表明Ti的3d电子 和O的2P电子波函数有显著的交叠,而且铁电情况下的交叠比顺电情况更强, 进而得出结论:对于ABO3结构的钙钦矿型铁电体,B离子的d电子与氧离子的 2p电子之间存在比较强的轨道杂化,这种轨道杂化抑制了短程排斥力从而使 铁电性得以稳定。
4.集成铁电体的研究(铁电薄膜与半导体集成)：
由于铁电存储器的诸多优点,近几年来人们对铁电薄膜与半导体集成投入了大量的研究。 铁电薄膜的极化具备两个不同的稳定状态(剩余极化强度士Pr),可分别作为信息存储的“0‘’ 和,‘l”代码。早在50年代人们就开始作了这方面的研究。当时存在的问题主要为:块材要求 电压很高,不能满足应用的要求;电滞回线的矩形度差,易发生读写错误;疲劳特性很差。80年 代以来,由于铁电薄膜制备技术的改进,新的铁电材料及电极材料的出现,铁电存储器又重新 活跃起来。
2．Gaussian98程序包。Gaussian98程序包中包含许多种计算方法，包括半经验及第一性 原理计算方法等。它是一个功能全面的计算程序包。它的主要处理对象是有机大分子体系， 计算时主要对单一大分子体系的各种性质进行计算。能给出有机分子的振动模式及反应过 程的信息。它的缺点是对含有重金属原子体系的计算几乎无法进行。
研究热点
尺寸效应和表面界面效应
金属或半导体电极间的铁电薄膜 铁电聚合物和复合材料的研究
写在最后
成功的基础在于好的学习习惯
The foundation of success lies in good habits
17
谢谢聆听
·学习就是为了达到一定目的而努力去干, 是为一个目标去 战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折
国内外研究现状
Cohen首次采用第一性原理计算BaTIO3和PbTIO3的电子密度,表明Ti的3d电子 和O的2P电子波函数有显著的交叠,而且铁电情况下的交叠比顺电情况更强, 进而得出结论:对于ABO3结构的钙钦矿型铁电体,B离子的d电子与氧离子的 2p电子之间存在比较强的轨道杂化,这种轨道杂化抑制了短程排斥力从而使 铁电性得以稳定。
4.集成铁电体的研究(铁电薄膜与半导体集成)：
由于铁电存储器的诸多优点,近几年来人们对铁电薄膜与半导体集成投入了大量的研究。 铁电薄膜的极化具备两个不同的稳定状态(剩余极化强度士Pr),可分别作为信息存储的“0‘’ 和,‘l”代码。早在50年代人们就开始作了这方面的研究。当时存在的问题主要为:块材要求 电压很高,不能满足应用的要求;电滞回线的矩形度差,易发生读写错误;疲劳特性很差。80年 代以来,由于铁电薄膜制备技术的改进,新的铁电材料及电极材料的出现,铁电存储器又重新 活跃起来。
2．Gaussian98程序包。Gaussian98程序包中包含许多种计算方法，包括半经验及第一性 原理计算方法等。它是一个功能全面的计算程序包。它的主要处理对象是有机大分子体系， 计算时主要对单一大分子体系的各种性质进行计算。能给出有机分子的振动模式及反应过 程的信息。它的缺点是对含有重金属原子体系的计算几乎无法进行。
研究热点
尺寸效应和表面界面效应
金属或半导体电极间的铁电薄膜 铁电聚合物和复合材料的研究
写在最后
成功的基础在于好的学习习惯
The foundation of success lies in good habits
17
谢谢聆听
·学习就是为了达到一定目的而努力去干, 是为一个目标去 战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折
铁电材料介绍课件
典型化合物： BaTiO3 ， CaTiO3 ， SrTiO3 ， PbTiO3 ， ZnTiO3 ， BaZrO3 ， PbZrO3 等
PCMP
复合钙钛矿结构化合物
（A1 x1 A2x2）（B1y1B2y2）O3型
其中：x1，x2分别为A1离子和A2离子化学计量比；x1+x2=1 y1，y2分别为B1离子和B2离子化学计量比；y1+y2=1
PCMP
4.4 按居里-外斯常数的大小分类
按居里-外斯常数的大小分类（参照图64），这种分类法有利于研究铁电体的相变 机制。居里-外斯常数C 大约在105数量级的 为第一类。这类铁电体的微观相变机制属于 位移型，它主要包括钛酸钡等氧化物形铁电 体。近来发现的SbSI是这一类中的唯一例 外，它不是氧化物。
相铁电性压电性弱与三氟乙烯共聚chcf3npvdftrfe无需拉伸具有压电铁电性高能电子辐照电致伸缩性能明显提高pcmppcmp反铁电体是这样一些晶体晶体结构与同型铁电体相近但相邻离子沿反平行方向产生自发极化净自发极化强度为零不存在类似于铁电中的电滞回线
《功能材料》
——铁电材料
PCMP
介电材料
电介质功能材料
铁电材料 压电材料 敏感电介质材料
电 功 能 材 料
电导体功能材料
导电材料 快离子导体 电阻材料 超导电体
PCMP
铁电材料
1. 2. 3. 4. 5. 基本概念（什么是铁电体） 晶体结构 铁电体主要特征与物理属性 铁电材料的分类 典型铁来
“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。
(完整PPT)第六章铁电性能和压电性能_材料物理(1)
结晶化学分类法： 软铁电体 硬铁电体
含氢键的晶体（KDP、RS）和双氧化物晶体（BT、PT、LN） 按极化轴数目分类：
单轴铁电体（RS、KDP、LN）和多轴铁电体（BT） 按原型相有无对称中心分类：
压电性铁电体（KDP、RS）和非压电性铁电体（BT） 按铁电相变时原子运动特点分类：
有序－无序型相变的（RS）和位移型相变的（BT、PT、LN） 按居里－外斯常数C的大小分类：
二、BaTiO3自发极化的微观机理 1. BaTiO3的晶体结构
有氧八面体 骨 架 的 ABO3 晶格
BaTiO3的晶体结构
钙钛矿结构
2. BaTiO3的相变
顺电态
Tc 居里温度
铁电态
120°C
5°C
-80°C
立方晶系 四方晶系 斜方晶系
菱形结构
无自发极化 自发极化沿c轴 自发极化沿 自发极化沿
Ps－饱和极化强度 Pr－剩余极化强度（remanent
polarization） Ec－矫顽场强（corcive field）
~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
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 一个重要判据。
3. 铁电体的分类
如: 在钙钛矿结构中，自发极 化起因于[BO6]中中心离子的 位移
[BO6]氧八面体
2. 铁电体的概念
铁电体是在一定温度范围内具有自发极化（必要条件） ，并且极化方向可随外加电场做可逆转动的晶体。
铁电体一定是极性晶体，但自发极化转动的晶体仅发生在某些特殊结 构晶体当中，在自发极化转向时，结构不发生大的畸变。
质
加电场E 成正比。
含氢键的晶体（KDP、RS）和双氧化物晶体（BT、PT、LN） 按极化轴数目分类：
单轴铁电体（RS、KDP、LN）和多轴铁电体（BT） 按原型相有无对称中心分类：
压电性铁电体（KDP、RS）和非压电性铁电体（BT） 按铁电相变时原子运动特点分类：
有序－无序型相变的（RS）和位移型相变的（BT、PT、LN） 按居里－外斯常数C的大小分类：
二、BaTiO3自发极化的微观机理 1. BaTiO3的晶体结构
有氧八面体 骨 架 的 ABO3 晶格
BaTiO3的晶体结构
钙钛矿结构
2. BaTiO3的相变
顺电态
Tc 居里温度
铁电态
120°C
5°C
-80°C
立方晶系 四方晶系 斜方晶系
菱形结构
无自发极化 自发极化沿c轴 自发极化沿 自发极化沿
Ps－饱和极化强度 Pr－剩余极化强度（remanent
polarization） Ec－矫顽场强（corcive field）
~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
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 一个重要判据。
3. 铁电体的分类
如: 在钙钛矿结构中，自发极 化起因于[BO6]中中心离子的 位移
[BO6]氧八面体
2. 铁电体的概念
铁电体是在一定温度范围内具有自发极化（必要条件） ，并且极化方向可随外加电场做可逆转动的晶体。
铁电体一定是极性晶体，但自发极化转动的晶体仅发生在某些特殊结 构晶体当中，在自发极化转向时，结构不发生大的畸变。
质
加电场E 成正比。
铁电体材料理论与性综述
1940年之后，以BaTiO3为代表的具有钙钛矿结 构的铁电材料陆续被发现，这是铁电历史上里程碑 式的时期。
一、铁电体材料相关概 念
1、铁电材料发展历程
70年代以来，研制成功透明铁电陶瓷，使得 铁电体的光学效应在更广阔的科技领域加以利用。
80年代以来，铁电薄膜的出现，被广泛应用 于制作铁电存储器使得铁电体的光学效应在更广 阔的科技领域加以利用。
一、铁电体材料相关概
4. 铁电材料的钙钛矿结构
念
钙钛矿结构以BaTiO3的结构为代表，许多铁电、 介电、压电、光电以及高温超导材料都具有钙钛矿 结构，如：
BaTiO3, PbZrO3 Pb(Zn1/3Nb2/3)O3，Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 (Na1/2Bi1/2)TiO3，(K1/2Bi1/2)TiO3
一、铁电体材料相关概
4. 铁电材料的钙钛矿结构
念
b 复合钙钛矿结构化合物
（A1 x1 A2x2）（B1y1B2y2）O3型
A1A2占据A位，满足条件：
其中：x1，x2分别为A1离子和A2离子化学计 量比:x1+x2=1
A位化合价= A1·x1+A2 ·x2=+2价
一、铁电体材料相关概
4. 铁电材料的钙钛矿结构
ABO3型钙钛矿结构
一、铁电体材料相关概
4. 铁电材料的钙钛矿结构
念
a 简单钙钛矿结构化合物 ABO3型
A位：+2价阳离子，如Mg2+， Ca2+，Sr2+， Ba2+，Zn2+，Pb2+等
B位：+4价阳离子，如Ti4+，Zr4+等
典型化合物： BaTiO3 ， CaTiO3 ， SrTiO3 ， PbTiO3 ，ZnTiO3 ， BaZrO3 ， PbZrO3 等
一、铁电体材料相关概 念
1、铁电材料发展历程
70年代以来，研制成功透明铁电陶瓷，使得 铁电体的光学效应在更广阔的科技领域加以利用。
80年代以来，铁电薄膜的出现，被广泛应用 于制作铁电存储器使得铁电体的光学效应在更广 阔的科技领域加以利用。
一、铁电体材料相关概
4. 铁电材料的钙钛矿结构
念
钙钛矿结构以BaTiO3的结构为代表，许多铁电、 介电、压电、光电以及高温超导材料都具有钙钛矿 结构，如：
BaTiO3, PbZrO3 Pb(Zn1/3Nb2/3)O3，Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 (Na1/2Bi1/2)TiO3，(K1/2Bi1/2)TiO3
一、铁电体材料相关概
4. 铁电材料的钙钛矿结构
念
b 复合钙钛矿结构化合物
（A1 x1 A2x2）（B1y1B2y2）O3型
A1A2占据A位，满足条件：
其中：x1，x2分别为A1离子和A2离子化学计 量比:x1+x2=1
A位化合价= A1·x1+A2 ·x2=+2价
一、铁电体材料相关概
4. 铁电材料的钙钛矿结构
ABO3型钙钛矿结构
一、铁电体材料相关概
4. 铁电材料的钙钛矿结构
念
a 简单钙钛矿结构化合物 ABO3型
A位：+2价阳离子，如Mg2+， Ca2+，Sr2+， Ba2+，Zn2+，Pb2+等
B位：+4价阳离子，如Ti4+，Zr4+等
典型化合物： BaTiO3 ， CaTiO3 ， SrTiO3 ， PbTiO3 ，ZnTiO3 ， BaZrO3 ， PbZrO3 等
铁电性(材料物理性能)
• •
Ti4+
O-
•° • •• • • ° • • •° • • •
7
°
•
•
例2：具有极性轴或结构本身具有自发极化的结构 + + + + + 正 电 荷 层 与 负 电 荷 层 交 替 排 列
固 有 偶 极 子
+ +
+
+ -
+
+ -
+
+
纤锌矿(ZnS)结构在（010）上投影
一、铁电体
是一类特殊的电介质材料，在一定温度范围内含有能自发极化，并且 发极化方向可随外电场作可逆转动的晶体。
1、铁电体的特点
1）铁电体是非线性介质 即极化强度和外施电压的关系是非线性的。
P 0 E
备注：线性介质
没有外加电场时，介质的极化强度等于零。 有外电场时，介质的极化强度与宏观电场E 成正比。
1
2）铁电体是极性晶体
即其极化状态并非由外电场所引起，而是由晶体内部结构特点所 引起，晶体中每个晶胞内存在固有电偶极矩。
注意：铁电晶体一定是极性晶体，但并非所有的极性晶体都是铁电体
2
3）铁电体的极化是自发极化
A.按相转变的自发极化机构铁电体分两类 ：
第一类是位移型，其自发极化同一类离 子的亚点阵相对于另一类亚点阵的整体 位移相联系。 位移型铁电体的结构大多同钙钛矿结构 及钛铁矿结构紧密相关。钛酸钡是典型 的钙钛矿型的铁电体。 Ba2+ Ti4+ O-
• •
•
•
°
°
•
•
O-
铁电材料ppt课件
10
ABO3型钙钛矿晶胞结构
11
Байду номын сангаас
铁电材料的分类
（1）结晶化学分类
含有氢键的晶体：磷酸二氢钾（KDP）、三甘氨酸硫酸盐（TGS）、罗息盐
（RS）等。这类晶体通常是从水溶液中生长出来的，故常被称为水溶性铁电体，
又叫软铁电体；
（Li2双O氧-N化b2物O晶5）体等：，如这B类aT晶iO体3（是B从aO高-T温iO熔2）体、或K熔N盐bO中3生（长K2出O来-N的b2，O5又）称、为L硬iN铁bO电3 体．它们可以归结为ABO3型，Ba2+，K+、Na+离子处于A位置，而Ti4+、Nb6+、 Ta6+离子则处于B位置。
Kbit和1Mbit等密度。
非易失性记忆体掉电后数据不丢失。可
是所有的非易失性记忆体均源自ROM技术。
你能想象到,只读记忆体的数据是不可能修改
的。所有以它为基础发展起来的非易失性记
忆体都很难写入，而且写入速度慢，它们包
括EPROM（现在基本已经淘汰）,EEPROM
和Flash，它们存在写入数据时需要的时间长
非铁电相时有对称中心：不具有压电效应，如BaTiO3、TGS（硫酸三甘肽）
以及与它们具有相同类型的晶体。
（4）按相转变的微观机构分类
（5）"维度模型"分类法
12
铁电材料的历史发展和现状
小型 化 铁电软膜理论
热力学理论
发现铁电性
铁电薄膜及器件
钙钛矿时期
KDP时期
罗息盐的发现
13
Company Logo
9
晶体结构
现在发现，具有铁电性的晶体很多，但概括起来可以分 为两大类：
ABO3型钙钛矿晶胞结构
11
Байду номын сангаас
铁电材料的分类
（1）结晶化学分类
含有氢键的晶体：磷酸二氢钾（KDP）、三甘氨酸硫酸盐（TGS）、罗息盐
（RS）等。这类晶体通常是从水溶液中生长出来的，故常被称为水溶性铁电体，
又叫软铁电体；
（Li2双O氧-N化b2物O晶5）体等：，如这B类aT晶iO体3（是B从aO高-T温iO熔2）体、或K熔N盐bO中3生（长K2出O来-N的b2，O5又）称、为L硬iN铁bO电3 体．它们可以归结为ABO3型，Ba2+，K+、Na+离子处于A位置，而Ti4+、Nb6+、 Ta6+离子则处于B位置。
Kbit和1Mbit等密度。
非易失性记忆体掉电后数据不丢失。可
是所有的非易失性记忆体均源自ROM技术。
你能想象到,只读记忆体的数据是不可能修改
的。所有以它为基础发展起来的非易失性记
忆体都很难写入，而且写入速度慢，它们包
括EPROM（现在基本已经淘汰）,EEPROM
和Flash，它们存在写入数据时需要的时间长
非铁电相时有对称中心：不具有压电效应，如BaTiO3、TGS（硫酸三甘肽）
以及与它们具有相同类型的晶体。
（4）按相转变的微观机构分类
（5）"维度模型"分类法
12
铁电材料的历史发展和现状
小型 化 铁电软膜理论
热力学理论
发现铁电性
铁电薄膜及器件
钙钛矿时期
KDP时期
罗息盐的发现
13
Company Logo
9
晶体结构
现在发现，具有铁电性的晶体很多，但概括起来可以分 为两大类：
铁电体材料理论及性综述
Pb(Zn1/3Nb2/3)O3，Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 Pb(Ni1/3Nb2/3)O3， Pb(Mg1/3Ta2/3)O3
Pb(Mg1/2W1/2)O3，Pb(Co1/2W1/2)O3
Pb(B+31/2B+51/2)O3型
Pb(Fe1/2Nb1/2)O3，Pb(Fe1/2Ta1/2)O3
4. 铁电材料的钙钛矿结构
b 复合钙钛矿结构化合物
（A1 x1 A2x2）（B1y1B2y2）O3型
A1A2占据A位，满足条件： 其中：x1，x2分别为A1离子和A2离子化学计量比:x1+x2=1
A位化合价= A1·x1+A2 ·x2=+2价
4. 铁电材料的钙钛矿结构
b 复合钙钛矿结构化合物
（A1 x1 A2x2）（B1y1B2y2）O3型
利用其压电特性，可以用于制作压电陶瓷谐振器、滤波器、 压电传感器、超声换能器、压电变压器等电子元器件。
4. 铁电材料的钙钛矿结构
钙钛矿结构以BaTiO3的结构为代表，许多铁电、介电、压电、光 电以及高温超导材料都具有钙钛矿结构，如：
BaTiO3, PbZrO3 Pb(Zn1/3Nb2/3)O3，Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 (Na1/2Bi1/2)TiO3，(K1/2Bi1/2)TiO3
B1B2占据B位，满足条件： y1，y2分别为B1离子和B2离子化学计量比:y1+y2=1
B位化合价= B1·y1+B2 ·y2=+4价
B1离子：低价阳离子，如Mg2+，Zn2+，Ni2+，Fe3+等 B2离子：高价阳离子，如Ti4+，Nb5+，Ta5+，W6+ 等
铁电材料的特性及应用综述
铁电材料的特性及应用综述孙敬芝（河北联合大学材料科学与工程学院河北唐山 063009）摘要：铁电材料具有良好的铁电性、压电性、热释电以及性光学等特性以及原理，铁电材料是具有驱动和传感2 种功能的机敏材料, 可以块材、膜材(薄膜和厚膜) 和复合材料等多种形式应用, 在微电子机械和智能材料与结构系统中具有广阔的潜在应用市场。
关键词：铁电材料；铁电性；应用前景C haracteristics and Application of FerroelectricmaterialSun Jingzhi( Materials Science and Engineering college, Hebei United University Tangshan 063009,China )Abstract:Ferroelectric material has good iron electrical, piezoelectric , pyroelectric and nonlinear optical properties, such as a driver and sensing two function piezoelectric materials, can block material, membrane materials (film and thick film) and the compound Material of a variety of forms such as application, in microelectromechanical and intelligent materials and structures in the system with vast potential application market.Keywords: ferroelect ric materials Iron electrical development trend0前言晶体按几何外形的有限对称图象, 可以分为32 种点群, 其中有10 种点群: 1, 2, m , mm 2, 4,4mm , 3, 3m , 6, 6mm , 它们都有自发极化。
铁电功能材料PPT课件
钙钛矿型铁电体的晶体结构由钙、钛和氧组成，具有自发极化效应，当受到外电场 作用时，自发极化方向会发生改变，从而表现出铁电性。
常见的钙钛矿型铁电体包括钛酸钡（BaTiO3）、锆钛酸铅（Pb（Zr,Ti）O3）等。
含铅铁电体
含铅铁电体是指含有铅元素的铁电体，其特点是具有较高的居里温度和 较大的压电系数。
含铅铁电体的晶体结构复杂，通常由多种元素组成，如锆、铌、铅、钛 等。这些元素在晶体结构中发挥着不同的作用，共同决定了铁电体的性
质。
常见的含铅铁电体包括锆铅酸钡（Ba（Zr,Pb）O3）、铌铅酸铅（Pb （Nb,Pb）O3）等。
其他类型铁电体
其他类型铁电体是指除了钙钛矿型和含铅铁电体之外的铁电 材料。这些材料的晶体结构和化学组成多种多样，因此其性 质也各不相同电 体、弛豫型铁电体等。这些材料在某些方面具有独特性质， 因此在特定领域有着广泛的应用。
04
铁电材料的发展历程
铁电材料的发现
铁电材料的发现可以追溯到19世纪末 期，当时科学家们开始研究晶体材料 的电学性质。
这种自发极化现象是铁电材料所特有 的，因此科学家们将这类材料称为铁 电体。
光吸收：某些铁电材料对特 定波长的光具有较高的吸收
系数。
04
05
光折射：铁电材料在不同电 场状态下表现出不同的折射
率。
热学性质
铁电材料在热学性质上具有 热释电效应、热膨胀和热传 导等特性。
04
热膨胀：铁电材料在温度升 高时，体积增大的现象称为 热膨胀。
01 03
•·
02
热释电效应：铁电材料在温 度变化时，产生电荷的现象 称为热释电效应。
磁学性质
01
02
03
04
弱磁性：铁电材料具有
常见的钙钛矿型铁电体包括钛酸钡（BaTiO3）、锆钛酸铅（Pb（Zr,Ti）O3）等。
含铅铁电体
含铅铁电体是指含有铅元素的铁电体，其特点是具有较高的居里温度和 较大的压电系数。
含铅铁电体的晶体结构复杂，通常由多种元素组成，如锆、铌、铅、钛 等。这些元素在晶体结构中发挥着不同的作用，共同决定了铁电体的性
质。
常见的含铅铁电体包括锆铅酸钡（Ba（Zr,Pb）O3）、铌铅酸铅（Pb （Nb,Pb）O3）等。
其他类型铁电体
其他类型铁电体是指除了钙钛矿型和含铅铁电体之外的铁电 材料。这些材料的晶体结构和化学组成多种多样，因此其性 质也各不相同电 体、弛豫型铁电体等。这些材料在某些方面具有独特性质， 因此在特定领域有着广泛的应用。
04
铁电材料的发展历程
铁电材料的发现
铁电材料的发现可以追溯到19世纪末 期，当时科学家们开始研究晶体材料 的电学性质。
这种自发极化现象是铁电材料所特有 的，因此科学家们将这类材料称为铁 电体。
光吸收：某些铁电材料对特 定波长的光具有较高的吸收
系数。
04
05
光折射：铁电材料在不同电 场状态下表现出不同的折射
率。
热学性质
铁电材料在热学性质上具有 热释电效应、热膨胀和热传 导等特性。
04
热膨胀：铁电材料在温度升 高时，体积增大的现象称为 热膨胀。
01 03
•·
02
热释电效应：铁电材料在温 度变化时，产生电荷的现象 称为热释电效应。
磁学性质
01
02
03
04
弱磁性：铁电材料具有
铁电体材料理论及性综述PPT课件
三、典型材料与应用
1、BaTiO3陶瓷材料
BaTiO3 晶体结构有立方相、四方相、斜方相和 三方相等晶相，均属于钙钛矿型结构的变体，四方 相、斜方相和三方相为铁电相，立方相为顺电相。
＞120℃—立方晶 胞 6℃～120℃—四方晶胞
-90℃～6℃—斜方晶胞
＜-90℃—三方晶胞
三、典型材料与应用
1、BaTiO3陶瓷材料
主要汇报内容
1 铁电体材料相关概念 2 铁电体材料的特性 3 典型的材料和应用 4 MS在材料中的应用
一、铁电体材料相关概念
1、铁电材料发展历程
铁电体与铁磁体在许多性质上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。
早期在欧洲（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）。
一、铁电体材料相关概念
4. 铁电材料的钙钛矿结构
b 复合钙钛矿结构化合物
（A1 x1 A2x2）（B1y1B2y2）O3型
A1A2占据A位，满足条件： 其中：x1，x2分别为A1离子和A2离子化学计 量比:x1+x2=1
A位化合价= A1·x1+A2 ·x2=+2价
一、铁电体材料相关概念
4. 铁电材料的钙钛矿结构
一、铁电体材料相关概念
3、相关概念
（2）自发极化 spontaneous polarization
在没有外电场作用时，晶体中存在着由于电 偶极子的有序排列而产生的极化，称为自发极化。 在垂直于极化轴的表面上，单位面积的自发极化 电荷量称为自发极化强度。
（3）介电常数 dielectric constant
4.4铁电性(材料物理性能)
复习：
1、介电击穿的类型 2、影响介电击穿的因素
本节内容：
一、铁电体，铁电体的特点 二、铁电体的居里外斯定律 三、铁电性的特点
P
Ps B
C
Pr
EC
AO
E
1
一、铁电体
是一类特殊的电介质材料，在一定温度范围内含有能自发极化，并且 发极化方向可随外电场作可逆转动的晶体。
1、铁电体的特点
1）铁电体是非线性介质
自发极化主要是由晶体中某些离子偏离了平衡位置，使单位晶胞中 出现了偶极矩，偶极矩之间的相互作用使偏离平衡位置的离子在新的位 置上稳定下来，同时晶体结构发生了畸变。
钛酸钡的结构：钙钛矿型结构
Ba2+ Ti4+
O-
• • °
• •
•
• • °
• •6
极化前晶体结构：
钛酸钡的结构：钙钛矿型结构
13
3） 电畴运动-极化过程
电畴运动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。
➢无外加电场时，电畴在晶体中分布杂乱 无章，使整个晶体表现为电中性，宏观 上无极性。 ➢外电场作用时，沿电场方向极化畴长大， 逆电场方向的畴消失，其它方向分布的 电畴转到电场方向，极化强度随外加电 场的增加而增加，一直到整个结晶体成 为一个单一的极化畴为止。 ➢如再继续增加电场只有电子与离子的极 化效应，和一般电介质一样。
7
➢温度降低到120℃，低于距 离温度，钛离子平均热振动 能降低，因热涨落，热振动 能特别低的离子占很大比例， 其能量不足以克服氧离子电 场作用，有可能向某一个氧 离子靠近，在新平衡位置上 固定下来，并使这一氧离子 出现强烈极化，发生自发极 化，使晶体顺着这个方向延 长，晶胞发生轻微畸变，由 立方变为四方晶体。
1、介电击穿的类型 2、影响介电击穿的因素
本节内容：
一、铁电体，铁电体的特点 二、铁电体的居里外斯定律 三、铁电性的特点
P
Ps B
C
Pr
EC
AO
E
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一、铁电体
是一类特殊的电介质材料，在一定温度范围内含有能自发极化，并且 发极化方向可随外电场作可逆转动的晶体。
1、铁电体的特点
1）铁电体是非线性介质
自发极化主要是由晶体中某些离子偏离了平衡位置，使单位晶胞中 出现了偶极矩，偶极矩之间的相互作用使偏离平衡位置的离子在新的位 置上稳定下来，同时晶体结构发生了畸变。
钛酸钡的结构：钙钛矿型结构
Ba2+ Ti4+
O-
• • °
• •
•
• • °
• •6
极化前晶体结构：
钛酸钡的结构：钙钛矿型结构
13
3） 电畴运动-极化过程
电畴运动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。
➢无外加电场时，电畴在晶体中分布杂乱 无章，使整个晶体表现为电中性，宏观 上无极性。 ➢外电场作用时，沿电场方向极化畴长大， 逆电场方向的畴消失，其它方向分布的 电畴转到电场方向，极化强度随外加电 场的增加而增加，一直到整个结晶体成 为一个单一的极化畴为止。 ➢如再继续增加电场只有电子与离子的极 化效应，和一般电介质一样。
7
➢温度降低到120℃，低于距 离温度，钛离子平均热振动 能降低，因热涨落，热振动 能特别低的离子占很大比例， 其能量不足以克服氧离子电 场作用，有可能向某一个氧 离子靠近，在新平衡位置上 固定下来，并使这一氧离子 出现强烈极化，发生自发极 化，使晶体顺着这个方向延 长，晶胞发生轻微畸变，由 立方变为四方晶体。
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1940年之后，以BaTiO3为代表的具有钙钛矿 结构的铁电材料陆续被发现，这是铁电历史上里程 碑式的时期。
一、铁电体材料相关概念
1、铁电材料发展历程
70年代以来，研制成功透明铁电陶瓷，使 得铁电体的光学效应在更广阔的科技领域加以利 用。
80年代以来，铁电薄膜的出现，被广泛应 用于制作铁电存储器使得铁电体的光学效应在更 广阔的科技领域加以利用。
主要汇报内容
1 铁电体材料相关概念 2 铁电体材料的特性 3 典型的材料和应用 4 MS在材料中的应用
一、铁电体材料相关概念
1、铁电材料发展历程
铁电体与铁磁体在许多性质上具有相应的平行类 似性，“铁电体”之名即由此而来，其实它的性质与 “铁”毫无关系。
早期在欧洲（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）。
一、铁电体材料相关概念
4. 铁电材料的钙钛矿结构
b 复合钙钛矿结构化合物
（A1 x1 A2x2）（B1y1B2y2）O3型
A1A2占据A位，满足条件： 其中：x1，x2分别为A1离子和A2离子化学
计量比:x1+x2=1
A位化合价= A1·x1+A2 ·x2=+2价
一、铁电体材料相关概念
4. 铁电材料的钙钛矿结构
ABO3型钙钛矿结构
一、铁电体材料相关概念
4. 铁电材料的钙钛矿结构
a 简单钙钛矿结构化合物 ABO3型
A位：+2价阳离子，如Mg2+， Ca2+，Sr2+，Ba2+， Zn2+，Pb2+等
B位：+4价阳离子，如Ti4+，Zr4+等
典型化合物： BaTiO3 ， CaTiO3 ， SrTiO3 ， PbTiO3 ，ZnTiO3 ， BaZrO3 ， PbZrO3 等
4. 铁电材料的钙钛矿结构
B位变化形成的化合物：
Pb(B+21/3B+52/3)O3型 Pb(B+21/2B+61/2)O3型
Pb(Zn1/3Nb2/3)O3，Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 Pb(Ni1/3Nb2/3)O3， Pb(Mg1/3Ta2/3)O3
因为历史上铁电现象可以认为是首先于1920年法 国人Valasek在罗息盐中发现的，当时他观察到的是反 常的介电特性。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。
一、铁电体材料相关概念
1、铁电材料发展历程
在1935年Busch发现了磷酸二氢钾KH2PO4— 简称KDP，其相对介电常数高达30，远远高于当时的 其它材料。
一、铁电体材料相关概念
2、什么是铁电体材料？
铁电体(ferroelectrics)是电介质的一 个亚类，其定义是指在某温度范围内具有自发极化 且极化强度可以在外电场作用下改变方向的晶体。
由于自身结构的原因，铁电体同时具有 压电性和热释电性，此外一些铁电晶体还具有非线 性光学效应、电光效应、声光效应、光折变效应等。
一、铁电体材料相关概念
4. 铁电材料的43;2)TiO3型 (Sr,Ba)TiO3 (Mg,Zn)TiO3
(Sr,Ba)ZrO3 (Sr,Pb)ZrO3
(A+11/2A+31/2)TiO3型
(Na1/2Bi1/2)TiO3
(K1/2Bi1/2)TiO3
一、铁电体材料相关概念
一、铁电体材料相关概念
3、相关概念
（2）自发极化 spontaneous polarization
在没有外电场作用时，晶体中存在着 由于电偶极子的有序排列而产生的极化，称为自 发极化。在垂直于极化轴的表面上，单位面积的 自发极化电荷量称为自发极化强度。
（3）介电常数
dielectric constant
铁电体这些性质使它们可以将声、光、 电、热效应互相联系起来，成为一类重要的功能材 料。
一、铁电体材料相关概念
3、相关概念
（1）极化 polarization
在电场作用下，电介质中束缚着的电 荷发生位移或者极性按电场方向转动的现象，称为 电介质的极化。单位面积的极化电荷量称为极化强 度，它是一个矢量，用P表示，其单位为C/m2 。
利用其压电特性，可以用于制作压电陶 瓷谐振器、滤波器、压电传感器、超声换能器、 压电变压器等电子元器件。
一、铁电体材料相关概念
4. 铁电材料的钙钛矿结构
钙钛矿结构以BaTiO3的结构为代表，许多 铁电、介电、压电、光电以及高温超导材料都具有 钙钛矿结构，如：
BaTiO3, PbZrO3 Pb(Zn1/3Nb2/3)O3，Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 (Na1/2Bi1/2)TiO3，(K1/2Bi1/2)TiO3
一、铁电体材料相关概念
3、相关概念
电介质材料
压电材料：石英
热释电材料：电气石 铁电材料：KDP
压电陶瓷材料 PZT
一、铁电体材料相关概念
3、相关概念
铁电材料的介电常数可高达103～104（普 通电介质的介电常数仅为几十），具有功能多、 用途广、品种繁多的特点。
利用其高介电常数的特点，可以用于制 作小体积、大容量的低频电容器，广泛应用在滤 波、旁路、隔直等电子线路中。
表征材料极化并储存电荷能力的物理量称 为介电常数，用ε表示，无量纲。
一、铁电体材料相关概念
3、相关概念
介质的极化特性与其晶体结构有着深刻的内在 联系。 按照其对称性，晶体可分为7大晶系，32种点群，其中 有20种点群不具有中心对称，它们的电偶极矩可因弹性 形变而改变，因而具有压电性并称为压电体。在压电体 中具有唯一极轴（又称为自发极化轴）的10种点群可出 现自发极化，即在无外电场存在的情况下也存在电极化。 它们因受热产生电荷，故称为热释电体。在这些极性晶 体中，因外加电场作用而改变自发极化方向的晶体便是 铁电体。因此，凡是铁电体必然是热释电体，而热释电 体也必然是压电体。
b 复合钙钛矿结构化合物
（A1 x1 A2x2）（B1y1B2y2）O3型
B1B2占据B位，满足条件： y1，y2分别为B1离子和B2离子化学计量比:y1+y2=1
B位化合价= B1·y1+B2 ·y2=+4价
B1离子：低价阳离子，如Mg2+，Zn2+，Ni2+，Fe3+等 B2离子：高价阳离子，如Ti4+，Nb5+，Ta5+，W6+ 等
一、铁电体材料相关概念
1、铁电材料发展历程
70年代以来，研制成功透明铁电陶瓷，使 得铁电体的光学效应在更广阔的科技领域加以利 用。
80年代以来，铁电薄膜的出现，被广泛应 用于制作铁电存储器使得铁电体的光学效应在更 广阔的科技领域加以利用。
主要汇报内容
1 铁电体材料相关概念 2 铁电体材料的特性 3 典型的材料和应用 4 MS在材料中的应用
一、铁电体材料相关概念
1、铁电材料发展历程
铁电体与铁磁体在许多性质上具有相应的平行类 似性，“铁电体”之名即由此而来，其实它的性质与 “铁”毫无关系。
早期在欧洲（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）。
一、铁电体材料相关概念
4. 铁电材料的钙钛矿结构
b 复合钙钛矿结构化合物
（A1 x1 A2x2）（B1y1B2y2）O3型
A1A2占据A位，满足条件： 其中：x1，x2分别为A1离子和A2离子化学
计量比:x1+x2=1
A位化合价= A1·x1+A2 ·x2=+2价
一、铁电体材料相关概念
4. 铁电材料的钙钛矿结构
ABO3型钙钛矿结构
一、铁电体材料相关概念
4. 铁电材料的钙钛矿结构
a 简单钙钛矿结构化合物 ABO3型
A位：+2价阳离子，如Mg2+， Ca2+，Sr2+，Ba2+， Zn2+，Pb2+等
B位：+4价阳离子，如Ti4+，Zr4+等
典型化合物： BaTiO3 ， CaTiO3 ， SrTiO3 ， PbTiO3 ，ZnTiO3 ， BaZrO3 ， PbZrO3 等
4. 铁电材料的钙钛矿结构
B位变化形成的化合物：
Pb(B+21/3B+52/3)O3型 Pb(B+21/2B+61/2)O3型
Pb(Zn1/3Nb2/3)O3，Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 Pb(Ni1/3Nb2/3)O3， Pb(Mg1/3Ta2/3)O3
因为历史上铁电现象可以认为是首先于1920年法 国人Valasek在罗息盐中发现的，当时他观察到的是反 常的介电特性。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。
一、铁电体材料相关概念
1、铁电材料发展历程
在1935年Busch发现了磷酸二氢钾KH2PO4— 简称KDP，其相对介电常数高达30，远远高于当时的 其它材料。
一、铁电体材料相关概念
2、什么是铁电体材料？
铁电体(ferroelectrics)是电介质的一 个亚类，其定义是指在某温度范围内具有自发极化 且极化强度可以在外电场作用下改变方向的晶体。
由于自身结构的原因，铁电体同时具有 压电性和热释电性，此外一些铁电晶体还具有非线 性光学效应、电光效应、声光效应、光折变效应等。
一、铁电体材料相关概念
4. 铁电材料的43;2)TiO3型 (Sr,Ba)TiO3 (Mg,Zn)TiO3
(Sr,Ba)ZrO3 (Sr,Pb)ZrO3
(A+11/2A+31/2)TiO3型
(Na1/2Bi1/2)TiO3
(K1/2Bi1/2)TiO3
一、铁电体材料相关概念
一、铁电体材料相关概念
3、相关概念
（2）自发极化 spontaneous polarization
在没有外电场作用时，晶体中存在着 由于电偶极子的有序排列而产生的极化，称为自 发极化。在垂直于极化轴的表面上，单位面积的 自发极化电荷量称为自发极化强度。
（3）介电常数
dielectric constant
铁电体这些性质使它们可以将声、光、 电、热效应互相联系起来，成为一类重要的功能材 料。
一、铁电体材料相关概念
3、相关概念
（1）极化 polarization
在电场作用下，电介质中束缚着的电 荷发生位移或者极性按电场方向转动的现象，称为 电介质的极化。单位面积的极化电荷量称为极化强 度，它是一个矢量，用P表示，其单位为C/m2 。
利用其压电特性，可以用于制作压电陶 瓷谐振器、滤波器、压电传感器、超声换能器、 压电变压器等电子元器件。
一、铁电体材料相关概念
4. 铁电材料的钙钛矿结构
钙钛矿结构以BaTiO3的结构为代表，许多 铁电、介电、压电、光电以及高温超导材料都具有 钙钛矿结构，如：
BaTiO3, PbZrO3 Pb(Zn1/3Nb2/3)O3，Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 (Na1/2Bi1/2)TiO3，(K1/2Bi1/2)TiO3
一、铁电体材料相关概念
3、相关概念
电介质材料
压电材料：石英
热释电材料：电气石 铁电材料：KDP
压电陶瓷材料 PZT
一、铁电体材料相关概念
3、相关概念
铁电材料的介电常数可高达103～104（普 通电介质的介电常数仅为几十），具有功能多、 用途广、品种繁多的特点。
利用其高介电常数的特点，可以用于制 作小体积、大容量的低频电容器，广泛应用在滤 波、旁路、隔直等电子线路中。
表征材料极化并储存电荷能力的物理量称 为介电常数，用ε表示，无量纲。
一、铁电体材料相关概念
3、相关概念
介质的极化特性与其晶体结构有着深刻的内在 联系。 按照其对称性，晶体可分为7大晶系，32种点群，其中 有20种点群不具有中心对称，它们的电偶极矩可因弹性 形变而改变，因而具有压电性并称为压电体。在压电体 中具有唯一极轴（又称为自发极化轴）的10种点群可出 现自发极化，即在无外电场存在的情况下也存在电极化。 它们因受热产生电荷，故称为热释电体。在这些极性晶 体中，因外加电场作用而改变自发极化方向的晶体便是 铁电体。因此，凡是铁电体必然是热释电体，而热释电 体也必然是压电体。
b 复合钙钛矿结构化合物
（A1 x1 A2x2）（B1y1B2y2）O3型
B1B2占据B位，满足条件： y1，y2分别为B1离子和B2离子化学计量比:y1+y2=1
B位化合价= B1·y1+B2 ·y2=+4价
B1离子：低价阳离子，如Mg2+，Zn2+，Ni2+，Fe3+等 B2离子：高价阳离子，如Ti4+，Nb5+，Ta5+，W6+ 等