铁电功能材料ppt课件
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铁电材料PPT幻灯片课件
读写过程不需要大电场， 在读后也不需重写。设计 简单。
18
压电陶瓷
声马达是压电陶瓷应用中一个 引人注目的新领域,它是利用压 电陶瓷的逆压电效应,直接把电 能转换成机械能输出而无需电 磁线圈的新型电机，与普通电 磁马达相比，它具有结构简单 、启动快、体积小、功耗低等 特点。另外，由于它是从电能 直接转换为机械能而不通过磁 电转换，因此，不产生磁干扰 也不怕磁干扰。
，擦写次数低,写数据功耗大等缺点。
16
FeRAM器件结构
17
铁电存储器（MFSFET）
MFS(Metal Ferroelectric –Semiconductor )FET
在MOS中用铁电薄膜（F） 代替二氧化硅栅氧化物薄 膜（O）构成MFSFET场 效应管
由于极化滞后，漏电流展 现两种状态：开，关
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
10
ABO3型钙钛矿晶胞结构
11
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K长2出O-来N的b2，O5又）称、为L硬iNb铁O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。
18
压电陶瓷
声马达是压电陶瓷应用中一个 引人注目的新领域,它是利用压 电陶瓷的逆压电效应,直接把电 能转换成机械能输出而无需电 磁线圈的新型电机，与普通电 磁马达相比，它具有结构简单 、启动快、体积小、功耗低等 特点。另外，由于它是从电能 直接转换为机械能而不通过磁 电转换，因此，不产生磁干扰 也不怕磁干扰。
，擦写次数低,写数据功耗大等缺点。
16
FeRAM器件结构
17
铁电存储器（MFSFET）
MFS(Metal Ferroelectric –Semiconductor )FET
在MOS中用铁电薄膜（F） 代替二氧化硅栅氧化物薄 膜（O）构成MFSFET场 效应管
由于极化滞后，漏电流展 现两种状态：开，关
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
10
ABO3型钙钛矿晶胞结构
11
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K长2出O-来N的b2，O5又）称、为L硬iNb铁O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。
电子材料的压电性能与铁电性能PPT(41张)
如对薄圆片径向伸缩模式的耦合系数为Kp（平面耦合系数）； 薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为K31（横向耦合系数）； 圆柱体轴向伸缩模式的耦合系数为K33（纵向耦合系数）等。
• 它是压电材料进行机-电能量转换的能力反映。 它与材料的压电常数、介电常数和弹性常数 等参数有关，是一个比较综合性的参数。其 值总是小于1。
2 压电效应基本原理 晶体不受外力作用，正、负电荷的中心重合，因而晶 体表面无荷电．
对晶体施加机械力时，晶体会发生因形变而导致的正、 负电荷中心不重合，引起晶体表面的荷电
3 正压电效应 4 逆压电效应
具有压电效应的晶体，电场的作用引起晶体内部正负 电荷中心的位移，导致晶体发生形变
第一节
5 压电材料 机电耦合效应
第一节 压电性能
三 压电性能的主要参数
1 介电常数 反映材料的介电性质（或极化性能）
2 介质损耗 表征介电发热导致的能量损耗
3 弹性系数 压电体是一个弹性体，服从虎克定律
4 压电常数 机械能转变为电能或电能转变为机械能的转换系数
5 机械品质因数 表征谐振时因克服内摩擦而消耗的能量
6 机电耦合系数 表征机械能与电能相互转换能力
向；T3为应力；D3为电位移。
•
它是压电介质把机械能（或电能）转
换为电能（或机械能）的比例常数，反映了
应力（T）、应变（S）、电场（E）或电位
移（D）之间的联系，直接反映了材料机电
性能的耦合关系和压电效应的强弱，从而引
出了压电方程。常见的压电常数有四种：dij、
gij、 eij、 hij。
2、机电耦合系数Kp
第二节 热释电与铁电性能
二晶体的热释电效应
1 热释电效应及其产生条件 （1）热释电效应 晶体因温度均匀变化而发生极化强度改变 （2）热释电效应产生条件 一定是具有自发极化(固有极化)的晶体 晶体结构的极轴与结晶学的单向重合 具有对称中心的晶体不可能有热释电效应
(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。
材料铁电性能的测量课件
02
铁电材料在一定温度范围内表现 出明显的铁电效应，即自发极化 随着温度的升高而降低，反之亦然。
铁电材料的特性
01
02
03
电滞回线
铁电材料具有显著的电滞 回线，即其介电常数和极 化强度随外加电场的变化 而发生非线性变化。
热释电效应
当铁电材料受到温度变化 时，其自发极化强度会发 生变化，产生热释电电流。
铁电测试仪通常采用交流测量方法，通过在材料上施加一定频率和幅度的交流电信 号，测量材料的响应信号，从而计算出材料的铁电性能参数。
铁电测试仪具有高精度、高稳定性和可重复性的特点，是研究材料铁电性能的重要 工具。
示波器
示波器是一种常用的电子测量仪 器，它可以用来观察和测量各种
信号的波形和参数。
在测量材料铁电性能时，示波器 可以用来观察和记录材料的电响 应信号，帮助研究者了解材料的
压电效应
在铁电材料中，自发极化 强度随外力作用而发生改 变，从而产生压电电压。
铁电材料的应用
传感器
利用铁电材料的压电效应 和热释电效应，可以制作 出高灵敏度、高分辨率的 传感器。
存储器
铁电材料具有非易失性的 电滞回线，可以用于制作 铁电随机存储器（FRAM）。
换能器
利用铁电材料的压电效应 和热释电效应，可以制作 出高效能的换能器。
在传感器领域的应用
总结词
铁电材料在传感器领域的应用主要涉及压力传感器和振动传感器。
详细描述
由于铁电材料的压电效应，它们可以用于制造高灵敏度、低噪声和宽频带压力传 感器和振动传感器。这些传感器广泛应用于航空航天、汽车、机械和医疗等领域， 用于监测压力、振动和声学信号，并进行相应的控制和调节。
2023
总结词
铁电材料在一定温度范围内表现 出明显的铁电效应，即自发极化 随着温度的升高而降低，反之亦然。
铁电材料的特性
01
02
03
电滞回线
铁电材料具有显著的电滞 回线，即其介电常数和极 化强度随外加电场的变化 而发生非线性变化。
热释电效应
当铁电材料受到温度变化 时，其自发极化强度会发 生变化，产生热释电电流。
铁电测试仪通常采用交流测量方法，通过在材料上施加一定频率和幅度的交流电信 号，测量材料的响应信号，从而计算出材料的铁电性能参数。
铁电测试仪具有高精度、高稳定性和可重复性的特点，是研究材料铁电性能的重要 工具。
示波器
示波器是一种常用的电子测量仪 器，它可以用来观察和测量各种
信号的波形和参数。
在测量材料铁电性能时，示波器 可以用来观察和记录材料的电响 应信号，帮助研究者了解材料的
压电效应
在铁电材料中，自发极化 强度随外力作用而发生改 变，从而产生压电电压。
铁电材料的应用
传感器
利用铁电材料的压电效应 和热释电效应，可以制作 出高灵敏度、高分辨率的 传感器。
存储器
铁电材料具有非易失性的 电滞回线，可以用于制作 铁电随机存储器（FRAM）。
换能器
利用铁电材料的压电效应 和热释电效应，可以制作 出高效能的换能器。
在传感器领域的应用
总结词
铁电材料在传感器领域的应用主要涉及压力传感器和振动传感器。
详细描述
由于铁电材料的压电效应，它们可以用于制造高灵敏度、低噪声和宽频带压力传 感器和振动传感器。这些传感器广泛应用于航空航天、汽车、机械和医疗等领域， 用于监测压力、振动和声学信号，并进行相应的控制和调节。
2023
总结词
铁电功能材料
铁电材料是一类具有自发极化并且这种极化可以在外电场作用下改变方向的功能材料。它们不仅具有高介电常数，还具有压电性、热释电性以及多种光学效应，这使得铁电材料在声、光、电、热等多个领域都能发挥重要作用。利用其高介电常数的特点，铁电材料被广泛应用于制作小体积、大容量的低频电容器，这些电容器在滤波、旁路、隔直等电子线路中起着关键作用。同时，铁电材料的压电特性也使其成为制作压电陶瓷谐振器、滤波器、传感器等电子元器件的理想材料。此外，随着科技的发展，铁电材料的光学效应也得到了更广泛的应用，如透明铁电陶瓷和铁电薄膜的出现，为光学器件和铁电存储器的制作提供了新的可能。目前，以钙钛矿结构为主的固溶体陶瓷是广使用的铁电陶瓷材料，其独特的晶体结构为铁电材料的多功能性提供了基础。
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
铁电材料及其应用36页PPT
13、遵守纪律的风气的培养，只有领 导者本 身在这 方面以 身作则 才能收 到成效 。—— 马卡连 柯 14、劳动者的组织性、纪律性、坚毅 精神以 及同全 世界劳 动者的 团结一 致，是 取得最 后胜利 的保证 。—— 列宁 摘自名言网
15、机会是不守纪律的。——雨果
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
铁电材料及其应用
11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 域—— 生产、 日常生 活、学 校、文 化等领 域中努 力的结 果。— —马卡 连柯(
15、机会是不守纪律的。——雨果
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
铁电材料及其应用
11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 域—— 生产、 日常生 活、学 校、文 化等领 域中努 力的结 果。— —马卡 连柯(
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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
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。
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。
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Βιβλιοθήκη 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。
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
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。
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。
Pb(Zn1/3Nb2/3)O3，Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 Pb(Ni1/3Nb2/3)O3， Pb(Mg1/3Ta2/3)O3
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。
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
16
A位变化形成的化合物：
(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
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
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。
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
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1. 铁电材料的钙钛矿结构
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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。
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。
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1.1、基 本 概 念
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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。
第五章 铁电功能材料
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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Βιβλιοθήκη 导电材料快离子导体
电导体功能材料
电阻材料
超导电体
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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。
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
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ABO3型钙钛矿晶胞结构
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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。
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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。
Pb(Zn1/3Nb2/3)O3，Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 Pb(Ni1/3Nb2/3)O3， Pb(Mg1/3Ta2/3)O3
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。
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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。
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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。
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a 简单钙钛矿结构化合物 ABO3型
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A位变化形成的化合物：
(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
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
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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。
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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。
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1.2、晶 体 结 构
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1. 铁电材料的钙钛矿结构