铁电性材料物理性能最新PPT

的两种方法
-
4）铁电体具有铁电性
在一些电介质晶体中，晶胞的结构使正负电荷重心不重 合而出现电偶极矩，产生不等于零的电极化强度，使晶体 具有自发极化。 晶体的这种性质叫铁电性（ferroelectricity）。
与铁磁体的磁滞回线形状类似,所以人们把这类晶体称为 铁电体(其实晶体中并不含有铁)
当铁电体的晶胞自发极化而出现电矩时，相邻晶胞的电矩 可以同向排列形成电畴，并出现铁电性； 相间反向排列而成为反铁电性。
化方向相同，这个小区域就称为铁电畴(ferroelectric domains)。 两畴之间的界壁称为畴壁。若两个电畴的自发极化方向互成90 ° ，
则其畴壁叫90 °畴壁。此外，还有180 °畴壁等。
180 °和 90 °畴
2）电畴取向
与晶体结构有关。BaTiO ３的铁电相晶体结构有四方、 斜方、菱形三种晶系，它们 的自发极化方向分别沿 ［001］，［011］，［111］ 方 向 ， 这 样 ， 除 了 90° 和 180°畴壁外，在斜方晶系中 还有60°和120°畴壁，在菱 形晶系中还有71°，109°畴 壁。
居里点附近居里外斯定律为
r
T
C 0
忽略ε∞
三、铁电体的铁电性
指铁电体的微观结构性质，以及因此而可能显示出来的宏观性质
（一）铁电性几个重要特征
电滞回线、电畴结构、自发极化以及相应的晶胞形变（自发应变）、居 里点、居里外斯定律等。
1、铁电畴
1）铁电畴的形成 铁电体自发极化的方向不相同，但在一个小区域内，各晶胞的自发极
钛酸钡的结构：钙钛矿型结构
Ba2+ Ti4+
O-
• • °
• •
•
• • • • °
极化前晶体结构：
钛酸钡的结构：钙钛矿型结构
等轴晶系（大于120oC） ： 晶胞常数：a=4.01A 氧离子的半径：1.32A 钛离子的半径： 0.64
钛离子处于氧八面体中， 两个氧离子间的空隙为：4.01－2× 1.32= 1.37 钛离子的直径：2× 0.64= 1.28
成正比。
2）铁电体是极性晶体
位移型铁电体的结即构大其多同极钙化钛矿状结构态及并钛铁非矿结由构外紧密电相关场。所引起，而是由晶体内部结构特点所 钛 当离T>子TC的时引半，径起铁：电，相0.转晶变体为顺中电相每，个电滞晶回线胞消内失，存这时在P与固E一有般电有线偶性关极系矩P=ε。0χE，并且介电常数服从居里外斯定律
典型的有序—无序型晶体是含有氢键的晶体，这类晶体中质子的有序化 运动引起自发极化，例如KH2PO4晶体，该晶体具有铁电体的特征。
铁电体
B.铁电体的自发极化的机制 其自发极化的出现主要是晶体中原子（离子）位置变化的结果。 例1：由位移引起的自发极化
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。
Ba2+ Ti4+
O-
••••••••°•°°•°••••••••
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
-
固
-
极 化 轴
与
有
负+
电 荷
-
+ -
偶 极 子
+ -
C
层
- -+ - - -
交
+++++
-
-
替+ +
+
排-
列
表示晶体极性链
纤锌矿(ZnS)结构在（010）上投影
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 ：
Ba2+ Ti4+
O-
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。
••
•
•
° •
°
•• ••
第二类是有序—无序型，其自发极化同个别离子的有序化相联系；
• •
• •
° •
°
• •
• •
Ba2+ Ti4+
O-
自发极化过程： ➢氧八面体空腔体积大于钛离子体积，给钛离子位移的余地。 ➢较高温度时，热振动能比较大，钛离子难于在偏离中心的某一个位置上 固定下来，接近六个氧离子的几率相等，晶体保持高的对称性，自发极 化为零。
➢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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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。
P0E 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
二、铁电体的居里外斯定律 在自发极化出现前的非极性晶体称为顺电性晶体。 顺电性晶体与铁电性晶体的转变温度称为铁电居里点TC。 当T>TC时，铁电相转变为顺电相，电滞回线消失，这时P与E一般有线 性关系P=ε0χE，并且介电常数服从居里外斯定律
r
T
C
0
C为居里常数，θ为特征温度。 ε∞代表电子位移极化对介电常数的贡献
钛酸钡的结构：钙钛矿型结构 晶胞常数：a=4. BaTiO3陶瓷的电滞回线既宽又斜。
即达极到化 一强值注度Ec意和，外剩：施晶体都是铁电体
晶体结构对电滞回线的影响 BaTiO3陶瓷的电滞回线既宽又斜。 在自发极化出现前的非极性晶体称为顺电性晶体。 将这线性部分外推至E=0时的情况，此时在纵轴P上的截距称为自发极化强度Ps。 内部自发极化发生改变，尤其是在相界处(晶型转变温度点)变化最为显著。 BaTiO3单晶和多晶体电滞回线就不完全相同： 纤锌矿(ZnS)结构在（010）上投影 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。 因为温度高时电畴运动容易，因而矫顽力和达到饱和极化强度需的极化电压都降低。 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。