铁电功能材料ppt课件
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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
ABO3型钙钛矿结构
12
ABO3型钙钛矿晶胞结构
13
1. 铁电材料的钙钛矿结构
离子A、B、C的半径RA、RB、RO满足下列关系才 能组成ABO3结构： RA+RO=√2 t （RB+RO）
式中t为容差因子，可以在0.9~1.1范围内，这样A离 子半径约为1.00~1.40A，B离子半径约为0.45~0.75， 氧离子半径为1.32A。
14
a 简单钙钛矿结构化合物 ABO3型
8
介质的极化特性与其晶体结构有着深刻的 内在联系。
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。
3 介电常数
dielectric constant
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。
6
电介质的极化与铁电性
材料可按其对外电场的响应方式区分为两类，一 类是以电荷长程迁移即传导的方式对外电场作出响 应，这类材料称为导电材料。另一类以感应的方式 对外电场作出响应，即沿着电场方向产生电偶极矩 或电偶极矩的改变，这类材料称为电介质，这种现 象称为电介质的极化。
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
15
b 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
A1A2占据A位，满足条件：
A位化合价= A1·x1+A2 ·x2=+2价
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
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。
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。
目前得到广泛使用的铁电陶瓷材料，几乎都是以钙钛矿结构为主 的固溶体陶瓷。
第五章 铁电功能材料
1
介电材料
电介质功能材料
铁电材料
电
压电材料
功
敏感电介质材料
能
材
料
导电材料
快离子导体
电导体功能材料
电阻材料
超导电体
2
铁电陶瓷材料
铁电体(ferroelectrics)是电介质的一个亚类, 其基本特征是具有自发电极化并且这种电极化可以 在外电场作用下改变方向。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。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。
7
电介质的极化与铁电性
电介质又分为非极性电介质和极性电介质两大 类。前者由非极性分子组成，在无外电场时分子的 正负电荷重心互相重合，不具有电偶极矩。只是在 外电场作用下正负电荷出现相对位移，才出现电偶 极矩。后者由极性分子组成，即使在无外场时每个 分子的正负电荷重心也不互相重合，具有固有电矩， 它与铁电性有密切关系。
4
1.1、基 本 概 念
5
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。
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
铁电材料 ferroelectric materials
具有自发极化，且自发极化能够为外电场所转向的 一类材料，称为铁电材料。
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。
16
A位变化源自文库成的化合物：
(A1+2A2+2)TiO3型 (Sr,Ba)TiO3 (Mg,Zn)TiO3
(A+11/2A+31/2)TiO3型 (Na1/2Bi1/2)TiO3
(Sr,Ba)ZrO3 (Sr,Pb)ZrO3
(K1/2Bi1/2)TiO3
17
B位变化形成的化合物：
Pb(B+21/3B+52/3)O3型
Pb(Zn1/3Nb2/3)O3，Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 Pb(Ni1/3Nb2/3)O3， Pb(Mg1/3Ta2/3)O3
9
铁电体的定义： 是指在某温度范围内具有自发极化且 极化强度可以因外电场而反向的晶体。
铁电体的两个特点是： 一是具有电滞回线， 一个是具有许多电畴。
所谓电畴就是在一个电畴范围内永久偶极矩的取向都一 致。因此凡具有电畴和电滞回线的介电材料就称为铁电体。
10
1.2、晶 体 结 构
11
1. 铁电材料的钙钛矿结构
BaTiO3, PbZrO3 Pb(Zn1/3Nb2/3)O3，Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 (Na1/2Bi1/2)TiO3，(K1/2Bi1/2)TiO3
ABO3型钙钛矿结构
12
ABO3型钙钛矿晶胞结构
13
1. 铁电材料的钙钛矿结构
离子A、B、C的半径RA、RB、RO满足下列关系才 能组成ABO3结构： RA+RO=√2 t （RB+RO）
式中t为容差因子，可以在0.9~1.1范围内，这样A离 子半径约为1.00~1.40A，B离子半径约为0.45~0.75， 氧离子半径为1.32A。
14
a 简单钙钛矿结构化合物 ABO3型
8
介质的极化特性与其晶体结构有着深刻的 内在联系。
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。
3 介电常数
dielectric constant
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。
6
电介质的极化与铁电性
材料可按其对外电场的响应方式区分为两类，一 类是以电荷长程迁移即传导的方式对外电场作出响 应，这类材料称为导电材料。另一类以感应的方式 对外电场作出响应，即沿着电场方向产生电偶极矩 或电偶极矩的改变，这类材料称为电介质，这种现 象称为电介质的极化。
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
15
b 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
A1A2占据A位，满足条件：
A位化合价= A1·x1+A2 ·x2=+2价
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
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。
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。
目前得到广泛使用的铁电陶瓷材料，几乎都是以钙钛矿结构为主 的固溶体陶瓷。
第五章 铁电功能材料
1
介电材料
电介质功能材料
铁电材料
电
压电材料
功
敏感电介质材料
能
材
料
导电材料
快离子导体
电导体功能材料
电阻材料
超导电体
2
铁电陶瓷材料
铁电体(ferroelectrics)是电介质的一个亚类, 其基本特征是具有自发电极化并且这种电极化可以 在外电场作用下改变方向。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。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。
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电介质的极化与铁电性
电介质又分为非极性电介质和极性电介质两大 类。前者由非极性分子组成，在无外电场时分子的 正负电荷重心互相重合，不具有电偶极矩。只是在 外电场作用下正负电荷出现相对位移，才出现电偶 极矩。后者由极性分子组成，即使在无外场时每个 分子的正负电荷重心也不互相重合，具有固有电矩， 它与铁电性有密切关系。
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1.1、基 本 概 念
5
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。
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
铁电材料 ferroelectric materials
具有自发极化，且自发极化能够为外电场所转向的 一类材料，称为铁电材料。
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。
16
A位变化源自文库成的化合物：
(A1+2A2+2)TiO3型 (Sr,Ba)TiO3 (Mg,Zn)TiO3
(A+11/2A+31/2)TiO3型 (Na1/2Bi1/2)TiO3
(Sr,Ba)ZrO3 (Sr,Pb)ZrO3
(K1/2Bi1/2)TiO3
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B位变化形成的化合物：
Pb(B+21/3B+52/3)O3型
Pb(Zn1/3Nb2/3)O3，Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 Pb(Ni1/3Nb2/3)O3， Pb(Mg1/3Ta2/3)O3
9
铁电体的定义： 是指在某温度范围内具有自发极化且 极化强度可以因外电场而反向的晶体。
铁电体的两个特点是： 一是具有电滞回线， 一个是具有许多电畴。
所谓电畴就是在一个电畴范围内永久偶极矩的取向都一 致。因此凡具有电畴和电滞回线的介电材料就称为铁电体。
10
1.2、晶 体 结 构
11
1. 铁电材料的钙钛矿结构