介电和铁电基础及应用汇总.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
6介电642页
锲而舍之，朽木不折。锲而不舍，
12
金石可镂 友友情分享O(∩_∩)O~
介电晶类（32种）
不具有对称 极性晶类（热 1，2，3，4，6，m， 中心的晶类 释电晶类） mm2.4mm,3m,6mm
（21种） （10种）
其中压电晶 类
（20种）
非极性晶类 （11种）
222,-4,-6,23,423(不具有压 电性）,-43m,422,
逆压电效应： S=dtE 电致伸缩效应：电介质在大外力作用下，需考虑非线性项。S=vE2
热释电效应：在热平衡条件下，电介质因自发极化要产生表面束缚 电荷，这种电荷被来自空气中附集于电介质表面上的自由电荷所补 偿，其电不能显现出来，，当温度发生变化，由温度变化引起电介 质的极化状态的改变不能及时被来自电介质表面上的自由电荷所补 偿，使电介质对外显电性。Ps=p T（具有自发极化的晶体）
(3) 无对称中心，且本身具有自发极化特性的结构
+
-
+
例1：具有极性轴或结构本身具有自发极化的结构
- -+ - - -
+
+++++
-
-
+
正 电
+
荷-
层
-
固
-
极 化 轴
与
有
负+
电 荷
-
+ -
偶 极 子
+ -
C
层
交
+++++
替+ +
+
-
-
排-
列
纤锌矿(ZnS)结构在（01锲0而）舍之上，投朽木影不折。锲而不舍，
电介质材料(压电和铁电材料)
压电陶瓷材料Байду номын сангаас
锆钛酸铅系(PZT)陶瓷, 其化学式为Pb(Zrx, Ti1-x)O3, 是钙 钛矿结构的二元系固溶体，晶胞中B位置可以是Zr4+, 也可以 是Ti4+。居里点随锆钛比变化。根据器件的要求，可以选择 不同的锆钛比。 然而，锆钛酸铅系陶瓷在制备和使用过程中，都会给环 境和人类健康带来很大的损害。近年来，随着环境保护和人 类社会可持续发展的需求，研发新型环境友好的压电陶瓷已 成为世界各国致力研发的热点材料之一。2001年欧州议会通 过了关于"电器和电子设备中限制有害物质"的法令，并定于 2008年实施。其中在被限制使用的物质中就包括含铅的压电 器件。为此，欧洲共同体立项151万欧元进行关于无铅压电 陶瓷的研究与开发。美国和日本以及我国电子信息产业部也 相继通过了类似的法令，并逐年提高对研制无铅压电陶瓷项 目的支持力度。对新型无铅压电陶瓷的研究和开发也同样受 到了国内科技界与企业界的普遍关注。
小资料：最新的无铅压电材料 任晓兵博士在其论文中提出一种不同于上述机制的全 新原理，该原理利用铁电体在90度畴翻转时产生巨大变形 这一特性，并利用时效点缺陷的对称性性质而产生可回复 的应变(该性质亦为任晓兵博士所发现，X. Ren and K.， Otsuka, 《Nature》, 1997)。任晓兵博士认为，存在点缺陷 的情况下，电畴在电场作用下发生翻转，当电场解除时， 在点缺陷的影响下，畴将回到原来的取向。在200V/mm的 电压下可产生0.75%的巨大可逆变形，是相同电压下PZT形 变量的37.5倍。 值得注意的是，产生这一巨大电致应变的材料为钛酸 钡基材料，这为开发对环境无害的高性能电致应变材料提 供了重要新途径。此项成果发表后，立即引起国际学术界 和工业界的强烈反响。
第六章 无机材料介电性能2PPT课件
❖ 由自发极化方向相同的晶胞所组成的小区域便称为电畴，分 隔相邻电畴的界面称为畴壁。
A-A：180°畴壁 B-B：90 °畴壁
铁电体中电畴是不能在空间任意取向的，只能沿着晶体的 某几个特定晶向取向，取决于该种铁电体原型结构的对称性。
TEM observation of domains in BaTiO3 ceramics
“压峰效应”：为了降低居里点处的介电常数的峰值， 即降低非线性。
2、铁电体的应用
6.5 压电性
❖ 压电性：某些介质在机械力作用下发生电极化或电极化的变 化，这样的性质称为压电性。具有压电性的介质称为压电体。
6.4 铁电性
❖ 1920年 法国人瓦拉赛克(Valasek) 发现即酒石酸钾钠 (NaKC4H4O6·4H2O)的铁电现象；
❖ 20世纪50年代以来 铁电体种类急剧增加，早年是科学家实 验室中的珍品，被当作研究结构相变的典型材料；
❖ 20世纪80年代以来 铁电体作为一类新型功能材料而崭露头 角。
一、铁电体
化强度）
剩余极化强度 Pr
矫顽电 场强度
Ec
2、电滞回线的影响因素： ❖ 极化温度：极化温度的高低影响到电畴运动和转向的难易。
矫顽场强和饱和场强随温度升高而降低。 极化温度较高，可以在较低的极化电压下达到同样的效
果，其电滞回线形状比较瘦长。
❖ 环境温度：环境温度的变化对材料的晶体结构有影响，从而 使内部自发极化发生改变，尤其是在相变处（晶型转变温度 点）更为显著。
2、铁电体的基本特征 ❖ （1）铁电体的基本特征：
铁电材料在电极化中存在电滞回线； 晶体中存在电畴形式的微结构 ； 在外加电场下，晶体中的电偶极矩可转变方向； 存在居里温度Tc(常称居里点)。
A-A：180°畴壁 B-B：90 °畴壁
铁电体中电畴是不能在空间任意取向的，只能沿着晶体的 某几个特定晶向取向，取决于该种铁电体原型结构的对称性。
TEM observation of domains in BaTiO3 ceramics
“压峰效应”：为了降低居里点处的介电常数的峰值， 即降低非线性。
2、铁电体的应用
6.5 压电性
❖ 压电性：某些介质在机械力作用下发生电极化或电极化的变 化，这样的性质称为压电性。具有压电性的介质称为压电体。
6.4 铁电性
❖ 1920年 法国人瓦拉赛克(Valasek) 发现即酒石酸钾钠 (NaKC4H4O6·4H2O)的铁电现象；
❖ 20世纪50年代以来 铁电体种类急剧增加，早年是科学家实 验室中的珍品，被当作研究结构相变的典型材料；
❖ 20世纪80年代以来 铁电体作为一类新型功能材料而崭露头 角。
一、铁电体
化强度）
剩余极化强度 Pr
矫顽电 场强度
Ec
2、电滞回线的影响因素： ❖ 极化温度：极化温度的高低影响到电畴运动和转向的难易。
矫顽场强和饱和场强随温度升高而降低。 极化温度较高，可以在较低的极化电压下达到同样的效
果，其电滞回线形状比较瘦长。
❖ 环境温度：环境温度的变化对材料的晶体结构有影响，从而 使内部自发极化发生改变，尤其是在相变处（晶型转变温度 点）更为显著。
2、铁电体的基本特征 ❖ （1）铁电体的基本特征：
铁电材料在电极化中存在电滞回线； 晶体中存在电畴形式的微结构 ； 在外加电场下，晶体中的电偶极矩可转变方向； 存在居里温度Tc(常称居里点)。
第七章 铁电物理.ppt
第七章 铁电物理
本章提要
铁电体物理学研究的核心问题是自发极化。 本章主要介绍有关铁电体物理学的一些基本 概念；自发极化产生的机制；铁电相变与晶 体的结构变化；极化状态在各种外界条件下 的变化，即介电响应、压电、热释电、电致 伸缩、光学效应等；最后适当介绍铁电物理 效应的实验研究。
7.1铁电物理的一般性质
自发极化能被外电场重行定向是铁电体最重 要的判据，也是铁电体具有许多独特性质的 主要原因
3. 电畴结构
晶体内部在退极化电场的作用下，就会分裂 出一系列自发极化方向不同的小区域，使其 各自所建立的退极化电场互相补偿，相到整 个晶体对内、对外均不呈现电场为止。这些 由自发极化方向相同的晶胞所组成的小区域 便称为电畴，分隔相邻电畴的界面称为畴壁
极化反转过程中电畴的运动可以用实验的方法 动态地观察到。如果把电场沿着钛酸钡晶体的
自发极化轴加到图7-1(a)所示的试样上，实验
表明，与电场方向一致的电畴并不通过其畴壁 的侧向移动以牺牲反向畴为代价进行扩张，而 是在反向畴内部沿着试样的边缘靠近电极处生 长出许多极化方向与电场方向一致的尖劈状新 畴。新畴成核后便在电场作用下向前推进，穿 透整个试样，如图7-4所示。电场增强时，新 畴不断出现，不断向前发展波及整个反向畴， 最终便把这种反向电畴变成与外场方向一致， 并与相邻的同向畴结合为一个体积更大的同向 畴。
由于铁电性的出现或消失，总伴随着晶格结构 的改变，所以这是个相变过程。当晶体从非铁 电相（称顺电相）向铁电相过渡时，晶体的许 多物理性质皆成反常现象。对于第一级相变， 伴随有潜热发生，对于第二级相变，则出现比 热的突变。铁电相中自发极化强度是和晶体的 铁电相低。
图7-4 钛酸钡晶体反向畴中尖劈状新畴 的成核和扩展
铁电体的畴过程还可以用加上电场后电畴反 转过程所产生的电流脉冲波形来研究。如果 把前沿很陡的矩形电压脉冲加到晶体上。脉 冲的宽度比极化反转所需的时间长，脉冲的 振幅足够大，以保证试样的极化强度能被外 场反向，这时流过试样的瞬时电流便便正比 于，其波形如图7-6所示
本章提要
铁电体物理学研究的核心问题是自发极化。 本章主要介绍有关铁电体物理学的一些基本 概念；自发极化产生的机制；铁电相变与晶 体的结构变化；极化状态在各种外界条件下 的变化，即介电响应、压电、热释电、电致 伸缩、光学效应等；最后适当介绍铁电物理 效应的实验研究。
7.1铁电物理的一般性质
自发极化能被外电场重行定向是铁电体最重 要的判据，也是铁电体具有许多独特性质的 主要原因
3. 电畴结构
晶体内部在退极化电场的作用下，就会分裂 出一系列自发极化方向不同的小区域，使其 各自所建立的退极化电场互相补偿，相到整 个晶体对内、对外均不呈现电场为止。这些 由自发极化方向相同的晶胞所组成的小区域 便称为电畴，分隔相邻电畴的界面称为畴壁
极化反转过程中电畴的运动可以用实验的方法 动态地观察到。如果把电场沿着钛酸钡晶体的
自发极化轴加到图7-1(a)所示的试样上，实验
表明，与电场方向一致的电畴并不通过其畴壁 的侧向移动以牺牲反向畴为代价进行扩张，而 是在反向畴内部沿着试样的边缘靠近电极处生 长出许多极化方向与电场方向一致的尖劈状新 畴。新畴成核后便在电场作用下向前推进，穿 透整个试样，如图7-4所示。电场增强时，新 畴不断出现，不断向前发展波及整个反向畴， 最终便把这种反向电畴变成与外场方向一致， 并与相邻的同向畴结合为一个体积更大的同向 畴。
由于铁电性的出现或消失，总伴随着晶格结构 的改变，所以这是个相变过程。当晶体从非铁 电相（称顺电相）向铁电相过渡时，晶体的许 多物理性质皆成反常现象。对于第一级相变， 伴随有潜热发生，对于第二级相变，则出现比 热的突变。铁电相中自发极化强度是和晶体的 铁电相低。
图7-4 钛酸钡晶体反向畴中尖劈状新畴 的成核和扩展
铁电体的畴过程还可以用加上电场后电畴反 转过程所产生的电流脉冲波形来研究。如果 把前沿很陡的矩形电压脉冲加到晶体上。脉 冲的宽度比极化反转所需的时间长，脉冲的 振幅足够大，以保证试样的极化强度能被外 场反向，这时流过试样的瞬时电流便便正比 于，其波形如图7-6所示
(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。
铁电体定义、特征和基础知识
3
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。
至今已经发现的铁电晶体有一千多种。 它们广泛地分布于从立方晶系到单斜晶系 的10个点群中。 它们的自发极化强度从10-4C/m2到 1C/m2；它们的居里点有的低到-261.5C （酒石酸铊锂），有的高于1500C。
35
表6-1给出了部分铁电晶体的分子式、居里 点和自发极化强度。 对于晶格结构和特性差异如此之大的各种 铁电体，要对它们做完善的统一分类是不 容易的。 到目前。
铁电体定义、特征和基础知识
1
➢什么是铁电体， ➢开关特性，Sawyer-Tower 电路 ➢铁电体主要特征 ➢典型的铁电材料的主要物理性质 ➢铁电材料的分类， ➢反铁电体
2
基本定义
➢具有自发极化强度（Ps） Spontaneous Polarization
➢自发极化强度能在外加电场下反转, Switchable Ps
36
单轴铁电体，多轴铁电体
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。
27
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。
至今已经发现的铁电晶体有一千多种。 它们广泛地分布于从立方晶系到单斜晶系 的10个点群中。 它们的自发极化强度从10-4C/m2到 1C/m2；它们的居里点有的低到-261.5C （酒石酸铊锂），有的高于1500C。
35
表6-1给出了部分铁电晶体的分子式、居里 点和自发极化强度。 对于晶格结构和特性差异如此之大的各种 铁电体，要对它们做完善的统一分类是不 容易的。 到目前。
铁电体定义、特征和基础知识
1
➢什么是铁电体， ➢开关特性，Sawyer-Tower 电路 ➢铁电体主要特征 ➢典型的铁电材料的主要物理性质 ➢铁电材料的分类， ➢反铁电体
2
基本定义
➢具有自发极化强度（Ps） Spontaneous Polarization
➢自发极化强度能在外加电场下反转, Switchable Ps
36
单轴铁电体，多轴铁电体
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。
27
铁电功能材料PPT课件
Pb(B+21/2B+61/2)O3型
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
Pb(B+32/3B+61/3)O3型
Pb(Fe2/3W1/3)O3，Pb(Mn2/3W1/3)O3
主要是含铅的Pb(B1B2)O3 系列复合钙钛矿结构材料，
B1B2占据B位，满足条件： B位化合价= B1·y1+B2 ·y2=+4价
B1离子：低价阳离子，如Mg2+，Zn2+，Ni2+，Fe3+，Sc3+等 B2离子：高价阳离子，如Ti4+，Nb5+，Ta5+，W6+ 等
A位变化形成的化合物：
(A1+2A2+2)TiO3型 (Sr,Ba)TiO3 (Mg,Zn)TiO3
AT
AT
1 T
表征介电常数温度稳定性的容温变化率如下式所示：
C CT C20 100 %
C
C 20
其中：C20为陶瓷样品在20℃时的电容（1KHz）； CT为陶瓷样品在温度T时的电容（1KHz）
Z5V型电容器瓷料，10℃～85℃，-
5Y65%U型≤△电C容/C器≤瓷+2料2，%。-25℃～85℃，-80%≤△C/C≤+30%。
晶体在受到外电场激励下产生形变，且二者之间 呈线性关系，这种由电效应转换成机械效应的过程称 为逆压电效应。
力→形变→电压 电压→形变
正压电效应 逆压电效应
4、电致伸缩效应 electrostrictive effect
铁电原理+应用总结
电介质材料在各类电子器件的功能实现中扮演着重要的角色，它又被称为电介质。
在电场的作用下，电介质中的带电粒子可以偏离原来的平衡位置，发生相对位移，进而产生电极化。
而某类特殊的电介质，在外部机械应力的作用下（如压应力）发生形变，这个形变可以导致极化，并且在该电介质的相对的两个断面形成符号相反的束缚电荷，而且束缚电荷的电荷密度正比于机械应力，这样一种特殊的电介质即为压电材料。
在压电材料中，又存在着一个特殊的分类，即热释电材料，在热释电材料中，温度的变化可以引起电极化，从而在存在温差的两个端面上形成电势差。
铁电材料又是一类特殊的热释电材料，铁电晶体一定是极性晶体，在一定温度范围内，即使不存在外加电场，晶体中的正、负电荷中心也不重合，每一个晶胞存在固有的电偶极矩，电偶极矩之间会发生长程的相互作用，因此一定区域中的电偶极子将产生平行排列而发生自发极化，而自发极化的方向可以随着外加电场方向的改变而改变。
以上所述的几种关系可以用以下的示意图1.1 来概括表达：图1.1. 电介质、压电、热释电、铁电材料关系图及电滞回线图原理：铁电材料是热释电材料的一个分支，它不仅具有自发极化，而且在一定温度范围内，自发极化随会随外电场的改变而改变，而且极化强度随外电场的变化存在一个如下图所示的滞回关系，这是铁电材料的一大特征，在铁电晶体两端加上电场E 后，极化强度P 随电场强度E 增加沿从坐标原点O 出发的曲线上升，中间有一段为线性上升，然后逐渐趋于平缓，最后达到饱和，不再上升。
而当E 下降，P 不沿原曲线下降，而是沿原曲线上方的曲线下降。
当E 为零时,极化强度P 不等于零而为P B,称为剩余极化强度。
只有加上反向电场E H 时P 才会等于零,E H 称为铁电材料的矫顽电场强度。
整条电滞回线如图所示。
铁电晶体是由许多小区域组成，这些小区域称为电畴，电畴内的极化方向一致，而相邻电畴的极化方向有所不同，因此众多电畴的电偶极矩的取向是随机的，表现出各向同性。
《介电和铁电材料》课件
稳定性
介电材料具有优良的稳定性，不易受环境温度和 湿度的影响。
介电常数可调
通过改变介电材料的组分和结构，可以调节介电 常数，以满足不同应用需求。
02
铁电材料介绍
铁电材料的定义
铁电材料
指在一定温度范围内具有自发极化、 且自发极化方向随温度变化的一类功 能材料。
自发极化
铁电材料内部存在的电偶极矩，不需 外电场作用就能产生自发极化。
铁电材料的分类
单晶体铁电体
如钛酸钡（BaTiO3）、铌酸锂（LiNbO3）等。
多晶体铁电体
如锆钛酸铅（Pb(Zr,Ti)O3，简称PZT）等。
有机铁电体
如聚偏氟乙烯（PVDF）等。
铁电材料的特性
电滞回线
01
铁电材料具有显著的电滞回线，即其介电常数随电场的变化而
变化。
压电效应
02
当铁电材料受到外力作用时，其内部电偶极矩发生改变，从而
记忆效应
介电和铁电材料都具有记忆效应 ，能够将外部电场的历史状态保 留下来，并在一定条件下恢复。
介电和铁电材料的差异
极化机制
介电材料的极化主要来源于电子 云位移，而铁电材料的极化则来 源于正负电荷中心的相对位移。
相变温度
铁电材料通常在一定的温度下发 生相变，表现出明显的铁电性， 而介电材料的相变温度则不明显 。
响应速度
铁电材料的极化响应速度较快， 适合用于制造高速电子器件，而 介电材料的响应速度相对较慢。
介电和铁电材料的应用领域
介电材料
主要用于制造绝缘材料、电子元件、光学薄膜等，如陶瓷、玻璃、塑料等。
铁电材料
主要用于制造压电器件、热释电器件、非线性光学器件等，如石英晶体、钛酸 钡等。
介电材料具有优良的稳定性，不易受环境温度和 湿度的影响。
介电常数可调
通过改变介电材料的组分和结构，可以调节介电 常数，以满足不同应用需求。
02
铁电材料介绍
铁电材料的定义
铁电材料
指在一定温度范围内具有自发极化、 且自发极化方向随温度变化的一类功 能材料。
自发极化
铁电材料内部存在的电偶极矩，不需 外电场作用就能产生自发极化。
铁电材料的分类
单晶体铁电体
如钛酸钡（BaTiO3）、铌酸锂（LiNbO3）等。
多晶体铁电体
如锆钛酸铅（Pb(Zr,Ti)O3，简称PZT）等。
有机铁电体
如聚偏氟乙烯（PVDF）等。
铁电材料的特性
电滞回线
01
铁电材料具有显著的电滞回线，即其介电常数随电场的变化而
变化。
压电效应
02
当铁电材料受到外力作用时，其内部电偶极矩发生改变，从而
记忆效应
介电和铁电材料都具有记忆效应 ，能够将外部电场的历史状态保 留下来，并在一定条件下恢复。
介电和铁电材料的差异
极化机制
介电材料的极化主要来源于电子 云位移，而铁电材料的极化则来 源于正负电荷中心的相对位移。
相变温度
铁电材料通常在一定的温度下发 生相变，表现出明显的铁电性， 而介电材料的相变温度则不明显 。
响应速度
铁电材料的极化响应速度较快， 适合用于制造高速电子器件，而 介电材料的响应速度相对较慢。
介电和铁电材料的应用领域
介电材料
主要用于制造绝缘材料、电子元件、光学薄膜等，如陶瓷、玻璃、塑料等。
铁电材料
主要用于制造压电器件、热释电器件、非线性光学器件等，如石英晶体、钛酸 钡等。
材料的介电性课件
频率对介电损耗的影响
总结词
随着频率的增加，介电损耗通常会增 加。
详细描述
介电损耗是指电场能量转换为热能并 耗散在材料中的过程。在高频电场下 ，由于电子和离子的运动速度限制， 能量转换更为频繁，导致介电损耗增 加。
频率对介电强度的影晌
要点一
总结词
介电强度与频率的关系较为复杂，但通常在高频下介电强 度会有所降低。
材料的介电性课件
• 介电性基本概念 • 介电性与物质结构 • 介电性与温度 • 介电性与频率 • 介电性与应用
01
介电性基本概念
介电常数
总结词
介电常数是衡量材料介电性能的重要参数，它表示了电场中材料对电能的保持 能力。
详细描述
介电常数的大小取决于材料的种类、温度、湿度和频率等条件。在相同的条件 下，介电常数越大，表示材料对电场的屏蔽作用越强，电能被保持得越紧密。
详细描述
介电性是指材料在电场作用下，内部电荷的分布和运动行为。分子极性是指分子内部正负电荷分布不均匀，导致 分子具有电偶极矩。极性分子在电场中会发生取向极化，即分子正负电荷中心发生相对位移，与电场方向一致。 这种取向极化会导致材料表现出较高的介电常数。
晶体结构与介电性
总结词
晶体结构的紧密程度和对称性对介电性产生影响，晶体中的离子或分子的相对位置和排列方式决定了 介电常数的大小。
详细描述
离子化合物是由正负离子通过离子键结合形成的化合物。在离子化合物中，正负离子的 相互作用较强，容易发生取向极化。当电场施加时，离子间的相互作用会导致正负离子 发生相对位移，与电场方向一致，从而表现出较高的介电常数。此外，离子化合物的介
电常数还与其离子半径、晶体结构和温度等因素有关。
03
第三章 铁电介质与自发极化-1
•高温顺电相模只能是Raman激发；低温铁电相模可同 时被Raman和红外激发。
•离子晶体中还可出现横光模在布里渊区的边界上的软 化，即相邻晶胞同类离子的位移方向相反、大小相 等。——反铁电相变。
PbZrO 3具有BaTiO 3相似 的钙钛矿型构造，其相对介电常数 在 230℃发生强烈的变化。由 X 射线分析已经获知，在这一 温度下发生非极性与反极性转变。
a).k1 ≠ 0, k2 = 0 则：x = 0
⇓
U
=
1 2
k1x 2
f = −k1x
简谐运动，不产生
自发极化
b）.k1 ≠ 0，k2 〉0
则：x = 0或x = ± γNq2 − k1 k2
当γNq2 − k1〉0，Ti 4+为非线性运动
PS = ± Nqx = ± Nq
γNq2 − k1 k2
•BaTiO3产生自发极化的可能性
Ba O
A O B
ABO3立方钙钛矿结构
在高于居里温度时为立方晶相，晶格常数为 4.01Å， r（Ba2+）=1.43 Å，r（O2-）=1.32 Å，r（Ti4+） =0.64 Å，钛-氧离子间距为2.005 Å> r（Ti4+）+ r （O2-）=1.96 Å，钛离子就有向氧的六个方向位移
↑→
→ EO′′ ↑ ⎯C⎯23作⎯用→Ti 4+位移 ↑→ ε ↑↑↑↑ 。
•钛离子对自发极化的贡献
1
∑∑ ε
=
1
+
1
ε −
0
1
3ε 0
N (αe + αi ) N (αe + αi )
∑ 当 1
3ε 0
•离子晶体中还可出现横光模在布里渊区的边界上的软 化，即相邻晶胞同类离子的位移方向相反、大小相 等。——反铁电相变。
PbZrO 3具有BaTiO 3相似 的钙钛矿型构造，其相对介电常数 在 230℃发生强烈的变化。由 X 射线分析已经获知，在这一 温度下发生非极性与反极性转变。
a).k1 ≠ 0, k2 = 0 则：x = 0
⇓
U
=
1 2
k1x 2
f = −k1x
简谐运动，不产生
自发极化
b）.k1 ≠ 0，k2 〉0
则：x = 0或x = ± γNq2 − k1 k2
当γNq2 − k1〉0，Ti 4+为非线性运动
PS = ± Nqx = ± Nq
γNq2 − k1 k2
•BaTiO3产生自发极化的可能性
Ba O
A O B
ABO3立方钙钛矿结构
在高于居里温度时为立方晶相，晶格常数为 4.01Å， r（Ba2+）=1.43 Å，r（O2-）=1.32 Å，r（Ti4+） =0.64 Å，钛-氧离子间距为2.005 Å> r（Ti4+）+ r （O2-）=1.96 Å，钛离子就有向氧的六个方向位移
↑→
→ EO′′ ↑ ⎯C⎯23作⎯用→Ti 4+位移 ↑→ ε ↑↑↑↑ 。
•钛离子对自发极化的贡献
1
∑∑ ε
=
1
+
1
ε −
0
1
3ε 0
N (αe + αi ) N (αe + αi )
∑ 当 1
3ε 0
介电和铁电材料
温度引起的自发极化的改变。自发极化的改变来自于离子的位移
为热释电系数；P s 为自发极化强度；T 为温度
晶体中存在热释电效应的前提 具有自发极化，即晶体结构的 某些方向正负电荷重心不重合。 不存在对称中心，且存在与其 他极化轴不同的唯一极化轴
石英晶体不产生热释电效应示意图
第七节 热释电材料-2
思考：把各种不同颜色的颜料混合得到什么颜色？
第二节 材料发色/光的机理-1
1、原子激发和分子振动 a．原子中电子的激发跃迁。 例：当燃烧物质中含Na原子，火 焰呈黄色：Na从激发态返回基态 时，发出波长为589.6nm、589.0nm 的黄光 应用：原子发射光谱、焰火 一般固体热辐射的颜色与温度关系：
第一节 光与固体的相互作用-2
电子的两种响应行为： 电子极化：电磁波对电子运动产生微扰 电子能态跃迁：电子吸收整个光子能量，使得状态显著改变 1、金属材料 金属吸收光子后 能态的变化 由于自由电子的存 在，金属对所有的 低频电磁波（从无 线电波到紫外光） 者是不透明的，只 有对高频电磁波X 射线和 γ 射线才透 明（为什么？）
S与材料性质、微结构及其温度有关
2、不同金属的温差电动势的叠加构成闭合回路的净的热电动势
+++++
热
塞贝克系数 S 本 质上就是热电势 系数
第八节 热电材料-7
一般半导体的热电 势系数最大
铂和铂铑合金 的热电势系数 温度参考点是 273K，0.1MPa
第八节 热电材料-8
三、热电材料的应用
1、测温:热电偶 接触电动势和温差电动势共同构成两种材料构成的闭合回路的电动势
无反演对称中心的石英晶体有压电效应
第六节 压电材料-2
介电和铁电基础及应用汇总.ppt.
K A Muller, Jpn J Appl Phys 24 (1985) 24-2, pp.89-93
Quantum Para- , Ferro-, and Random Electric Behaviors in Oxide Perovskites
铁电弛豫体 ferroelectric relaxor
居里温度 （ Tc,c）
当晶体从高温降温经过c时，要经过一个从 非铁电相（有时称顺电相）到铁电相的结构 相变。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。
具有反演对称中心的晶体无压电效应
无反演对称中心的石英晶体有压电效应
第六节 压电材料-2
+
压电ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ必须是离子晶体或离子团组成的分子
第六节 压电材料-3
三、压电材料主要工程参数 1、机械品质因素 压电振子：具有一定取向和形状的压电晶片具有固有的机械谐振频率。 当外电场的频率与其一致时，由于逆压电效应会产生机械谐振。这种 晶片称压电振子。 压电振子在谐振子时，会产生内耗，造成机械能损失，反映这种机械能损 耗程度的参数为机械品质因数Qm，定义为：
对称中心
根据铁电体在非铁电相有无对称中心亦可 分为两类。一类铁电体在其顺电相的晶体 结构不具有对称中心，因而有压电效应。 如钽铌酸锂、罗息盐、KDP族晶体。另一类 铁电体，其顺电相的晶格结构具有对称中 心，因而不具有压电效应，如钛酸钡、铌 酸钾以及它们的同类型晶体。这种分类方 法便于铁电相变的热力学处理。
介电材料PPT课件
第一章 电介质陶瓷
.
1
第一节 电介质陶瓷
• 电介质陶瓷是指电阻率大于108Ωm的陶瓷材料，能承受较强 的电场而不被击穿。按其在电场中的极化特性，可分为电绝缘 陶瓷和电容器陶瓷。随着材料科学的发展，在这类材料中又相 继发现了压电、铁电和热释电等性能，因此电介质陶瓷作为功 能陶瓷又在传感、电声和电光技术等领域得到广泛应用。
• 电绝缘陶瓷材料按瓷坯中主要矿物成分可分为钡长石瓷、高 铝瓷、高硅瓷、莫来石瓷、滑石瓷、镁橄榄石瓷、硅灰石瓷 及锆英石瓷等。
• 在无线电设备中，电绝缘瓷主要用于高频绝缘子、插座、瓷 轴、瓷条、瓷管、基板、线圈骨架、波段开关片、瓷环等。 陶瓷基片为绝缘陶瓷材料的主要研究方向，市场占有率也比 较高。
.
.
27
§ 1-2 典型低介装置瓷
预烧的作用: 促使晶型转变 减少胚体的烧结收缩率，保证产品尺寸的准确性 可使碱金属离子减少或去除，起纯化的作用，破坏 Al2O3颗粒聚集状态，以获得细颗粒的原料。
.
28
§ 1-2 典型低介装置瓷
(2) 化学法 铝的草酸盐热分解 醇盐水解 sol-gel法
.
38
§ 1-2 典型低介装置瓷
性质
AlN
SiC
导热率(w/m·k) (室温)
100~270
270
Al2O3 20
BeO 310
BN 20~60
电阻率（Ω·m） (室温)
>1012
1011
>1012
>1012
>1013
抗电强度（105v/m）
(室温)
140~170
0.7
100
100~140
300~400
声子热传导（类似于气体）
.
1
第一节 电介质陶瓷
• 电介质陶瓷是指电阻率大于108Ωm的陶瓷材料，能承受较强 的电场而不被击穿。按其在电场中的极化特性，可分为电绝缘 陶瓷和电容器陶瓷。随着材料科学的发展，在这类材料中又相 继发现了压电、铁电和热释电等性能，因此电介质陶瓷作为功 能陶瓷又在传感、电声和电光技术等领域得到广泛应用。
• 电绝缘陶瓷材料按瓷坯中主要矿物成分可分为钡长石瓷、高 铝瓷、高硅瓷、莫来石瓷、滑石瓷、镁橄榄石瓷、硅灰石瓷 及锆英石瓷等。
• 在无线电设备中，电绝缘瓷主要用于高频绝缘子、插座、瓷 轴、瓷条、瓷管、基板、线圈骨架、波段开关片、瓷环等。 陶瓷基片为绝缘陶瓷材料的主要研究方向，市场占有率也比 较高。
.
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27
§ 1-2 典型低介装置瓷
预烧的作用: 促使晶型转变 减少胚体的烧结收缩率，保证产品尺寸的准确性 可使碱金属离子减少或去除，起纯化的作用，破坏 Al2O3颗粒聚集状态，以获得细颗粒的原料。
.
28
§ 1-2 典型低介装置瓷
(2) 化学法 铝的草酸盐热分解 醇盐水解 sol-gel法
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38
§ 1-2 典型低介装置瓷
性质
AlN
SiC
导热率(w/m·k) (室温)
100~270
270
Al2O3 20
BeO 310
BN 20~60
电阻率（Ω·m） (室温)
>1012
1011
>1012
>1012
>1013
抗电强度（105v/m）
(室温)
140~170
0.7
100
100~140
300~400
声子热传导（类似于气体）
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主要特征
电滞回线hysteresis loop 居里温度Curie temperature Tc 介电反常Dielectric anomalous
电滞回线 hysteresis loop
自发极化Ps路
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。
H2SO4 RS，酒石酸钾钠（罗息盐）
NaKC4H4O64H2O
Spontaneous polarization of BaTiO3
Dielectric constant of BaTiO3
钛酸钡晶体的自发畸变与温度的关系
KDP晶体的自发极化强度与温度的关系
KDP晶体的介电常数与温度的关系
居里-外斯定律Curie-Weiss law
当温度高于居里点时，铁电体的介电常数与 温度的关系服从居里-外斯定律：
C 0
式中：C为居里-外斯常数；为绝对温度； 0为顺电居里温度，或称居里-外斯温度。
几种典型铁电体的性质
BaTiO3，钛酸钡 KDP，磷酸二氢钾 KH2PO4 TGS，三甘氨酸硫酸盐，(NH2CH2COOH)3
铁电性基础 Basics of Ferroelectrics
什么是铁电体， 开关特性，Sawyer-Tower 电路 铁电体主要特征 典型的铁电材料的主要物理性质 铁电材料的分类， 反铁电体
基本定义
具有自发极化强度（Ps） Spontaneous Polarization
自发极化强度能在外加电场下反转, Switchable Ps
KDP的定压比热与温度的关系
KDP晶体的压电常数d36与温度的关系
TGS晶体的自发极化强度与温度的关系
TGS晶体的起始介电常数与温度的关系
TGS的定压比热与温度的关系
罗息盐晶体的自发极化强度与温度的关系
罗息盐晶体的介电常数与温度的关系
RS晶体的弹性柔顺常数S44与温度的关系
铁电晶体的分类
成分和结构
根据晶体成分和结构特征，可把铁电晶体分 成两类。一类是含有氢键的晶体，如KDP 族、TGS、罗息盐等。这类晶体的特点是可 溶于水、力学性质软、居里点温度低、溶解 温度低，常称“软”铁电体。另一类是双氧 化物晶体，如钛酸钡、铌酸锂等晶体。它们 的特点是不溶于水、力学性质硬、居里点温 度高、溶解温度高，常称为“硬”铁电体。
按居里-外斯常数的大小分类（参照图6-4）， 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。
居里-外斯常数C 大约在103数量级的为第 二类，这类铁电体的微观相变机制属于有 序-无序型，主要包括KDP、TGS、罗息盐 和NaNO2等。C数量级大约在10的为第三 类铁电晶体，属于这一类的典型晶体是 (NH4)2Cd2(SO4)3。这类铁电体的相变机 制目前尚未详细研究，也无专门的名称。
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。
所谓电畴就是铁电体中自发极化方向一致的 小区域，电畴与电畴之间的边界称为畴壁。
铁电晶体通常多电畴体，每个电畴中的自发 极化具有相同的方向，不同电畴中自发极化 强度的取向间存在着简单的关系。
居里温度 （ Tc,c）
当晶体从高温降温经过c时，要经过一个从 非铁电相（有时称顺电相）到铁电相的结构 相变。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。
至今已经发现的铁电晶体有一千多种，它 们广泛地分布于从立方晶系到单斜晶系的 10个点群中。它们的自发极化强度从104C/m2到1C/m2，它们的居里点有的低到261.5C（酒石酸铊锂），有的高于 1500C。表6-1给出了部分铁电晶体的分 子式、居里点和自发极化强度。对于晶格 结构和特性差异如此之大的各种铁电体， 要对它们做完善的统一分类是不容易的。 到目前为止，对铁电晶体的分类法有许多 种，其中常用的有以下几种
对称中心
根据铁电体在非铁电相有无对称中心亦可分 为两类。一类铁电体在其顺电相的晶体结构 不具有对称中心，因而有压电效应。如钽铌 酸锂、罗息盐、KDP族晶体。另一类铁电 体，其顺电相的晶格结构具有对称中心，因 而不具有压电效应，如钛酸钡、铌酸钾以及 它们的同类型晶体。这种分类方法便于铁电 相变的热力学处理。
单轴铁电体，多轴铁电体
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。
介电反常：临界特征
铁电体的介电性质、弹性性质、光学性质和 热学性质等在居里点附近都要出现反常现象， 其中研究的最充分的是“介电反常”。因为 铁电体的介电性质是非线性的，介电常数随 外加电场的大小而变，所以一般用电滞回线 中在原点附近的斜率来代表铁电体的介电常 数，实际测量介电常数时外加电场很小。大 多数铁电体的介电常数在居里点附近具有很 大的数值，其数量级可达，104-105，此即 铁电体在临界温度的“介电反常”。
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。