高热释电性能PzsT基反铁电陶瓷场致热释电效应研究
压电、热释电与铁电材料
关于BaTiO3铁电性的起因人们曾提出过多种 微观模型。其中比较突出的有： 钛离子多个平衡位置的自发极化理论，认 为BaTiO3在其顺电相结构中钛离子具有多 个平衡位置，在温度低于居里点时，钛离 子占据某个平衡位置几率大得多，因而出 现自发极化；
钛--氧离子之间的强耦合理论，认为自发 极化的产生是由于钛--氧离子之间存在着 很强的相互作用场所致； 此外换有氧离子位移的自发极化理论；振 动电子理论；价键性质转变理论（认为共 价性增强，离子性减弱）等。 这些理论各有其不足和成功之处，本节不 在一一介绍。
下图是180畴壁和90畴壁
钛酸钡畴结构
反铁电体
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。介电常数 （或极化率）与温度的关系为：在相变温 度以下，介电常数很小，一般数量级为10102；在相变温度时，介电常数出现峰值， 一般数量级为几千。在相变温度以上，介 电常数与温度的关系遵从居里-外斯定律。
主要特征 电滞回线hysteresis loop 居里温度Curie temperature c 介电反常Dielectric anomalous
电滞回线 hysteresis loop
自发极化Ps 剩余极化Pr 矫顽电场Ec
静态畴结构及其形成原因
铁电晶体在没有外电场和外力作用下从 顺电相过渡到铁电相时，将出现至少两 个等价的自发极化方向，以便使晶体的 总自由能最小。因此，晶体在铁电相通 常是由自发极化方向不同的一个一个小 区域组成。每一个极化方向相同的小区 域称为铁电畴，分离电畴的边界称为畴 壁。Domain wall
BaTiO3铁电相变的微观理论首先是从离子位 移模型出发而发展起来的。对BaTiO3晶体的 x射线衍射和中子衍射实验表明，当BaTiO3 的结构从立方相转变到四方相时，Ti、O等 离子都产生偏离原来平衡位置的位移。
高储能密度、高温度稳定性反铁电陶瓷材料研究
内容提要
立项依据 研究方案 预期成果 研究人员
立项依据
研究背景 民用方面：太阳能、风能等新能源发电系统、混合动力交通工具 军用方面：电磁炮、定向能武器、综合全电力推动舰艇
小型化、轻型化、高储能密度、高温度稳定性
立项依据
研究背景
电储存器件： 蓄电池、电化学电容器、介电电容器
创新点 （1）四方相PLZST与正交相PLZST反铁电复合陶瓷的设计 （2）扩展四方相反铁电陶瓷使用温区。
研方案
研究基础条件 实验成果方面： 对于反铁电储能材料，实验室已有一定的研究基础，并发表了系列文章。
实验设备方面： 实验室具有陶瓷制备工艺整套设备，同时承担学院陶瓷制备理论课程及实验课程。
电容介质材料： 线性介质（LD）、传统铁电（FE）、 弛豫铁电（RFE）、反铁电（AFE）
立项依据
国内外现状分析——实用的电容器介质材料
1. 高介电常数的钛酸钡、二氧化钛材料
----击穿场强低，储能密度低于1 J/cm3
2. 高击穿场强的Mylar膜、PVDF有机薄膜
----介电常数很小，使用范围严重受限
研制四方相/正交相 反铁电复合陶瓷
设计四方相/正交相复合反铁电陶瓷，采用溶胶凝胶原位 干燥法二次预烧工艺来有效抑制两相间的扩散行为，最 终提高复合陶瓷的EA水平和储能密度及温度稳定性。
研究方案
关键技术
四方相 PLZST反铁 电陶瓷的
细晶化
提高反铁电陶瓷 相变场的有效途 径之一是实现陶 瓷的细晶化，来 提高晶界在外加 电场中的承担比 例。
总结出组分调节、 掺杂改性及两相 复合与相变温度 及温度稳定性之 间的作用机理也 是本项目科学问
(1-x)PST-xPZT铁电陶瓷的介电与热释电性能研究
(1-x)PST-xPZT铁电陶瓷的介电与热释电性能研究1蓝德均、江一杭、陈异、陈强、肖定全、朱建国*(四川大学材料科学与工程学院 四川成都 610064)E-mail: nic0400@摘要：以普通氧化物混合烧结法制备了高钙钛矿相的(1-x)PST-xPZT铁电弛豫陶瓷。
发现烧结温度和PZT掺入量对样品中的焦绿石相的存在影响很大。
样品的钙钛矿相成分随烧结温度升高而增加。
介电性能测试表明(1-x)PST-xPZT铁电弛豫陶瓷具有弥散型介电响应特征，(1-x)PST-xPZT铁电弛豫陶瓷的居里点T c和压电常数d33随PZT的掺入量的增加而增加。
室温下x=0.1的(1-x)PST-xPZT陶瓷样品的热释电系数可达到约15×10-8C/(cm2.K)。
关键词：PST－PZT陶瓷；弛豫铁电陶瓷；钙钛矿相；一步烧结制备1．引言钽钪酸铅Pb(Sc1/2Ta1/2)O3（PST）是一种热释电性能优良的典型B位复合铅基钙钛矿弛豫铁电陶瓷[1～3]。
由于纯PST的居里点较低（-5℃－25℃），需要在约1500℃的高温下烧结才能获得致密、具有钙钛矿结构且性能良好的材料[4]，从而限制了PST陶瓷材料的应用领域。
为了避免会引起陶瓷性能恶化的焦绿石相的形成，通常制备B位复合铅基钙钛矿驰豫铁电陶瓷的方法是先驱体法，即先将B位化合物或一种B位组份与一种A位组份[5]先行在高温下进行焙烧，制备出一种中间材料后再将组成陶瓷的其它组份化合物与前驱体混合后烧结得到所需的陶瓷。
但是有也研究表明[6,7]，用传统电子陶瓷制备工艺（以下简称一步法，One-Step-Sintering Method，OSSM），也可以制备出B位复合纯钙钛矿相陶瓷材料。
由于一般二元系的准同型相界（Morphotropic Phase Boundary,MPB）是一个范围很窄的区间，通过MPB成分的调整而达到调整材料综合性能的自由度很小；但对于三元或更多元系来说，其准同型相界一般是曲线甚至是曲面，故而在MPB附近进行组分调控可望进一步优化材料的综合性能[8]。
等静压和温度诱导的PbLa(Zr,Sn,Ti)O_3反铁电陶瓷相变和介电性能研究.aspx
等静压和温度诱导的PbLa(Zr ,Sn ,Ti)O 3反铁电陶瓷相变和介电性能研究3徐 卓 冯玉军 郑曙光 金 安 王方林 姚 熹(西安交通大学电子材料与器件研究所,电子陶瓷与器件教育部重点实验室,西安 710049)(2001年2月5日收到;2001年3月25日收到修改搞) 研究了等静压和温度诱导掺镧La 的Pb (Z r ,Sn ,T i )O 3(P LZST )陶瓷材料的铁电2反铁电相变、介电压力谱和介电温度谱,研究了温度对压致相变和介电压力谱的影响,结果发现温度使铁电2反铁电相变压力降低,介电压力谱具有明显的扩散相变和频率弥散的特点;研究了等静压对介电温度谱的影响,结果表明等静压使铁电2反铁电相变温度降低,反铁电2顺电相变温度升高.这些现象有利于丰富和拓宽人们对温度和压力诱导的多组元弛豫型铁电体和弛豫型反铁电体扩散相变和弛豫行为的认识和理解.Ξ国防科技预研基金(批准号:98J121119)资助的课题.关键词:等静压和压致相变,铁电2反铁电相变,介电压力谱,介电温度谱PACC :7780,64701 引言电场和温度诱导掺镧La 的Pb (Zr ,Sn ,T i )O 3(P LZST )反铁电(AFE )陶瓷材料的结构相变和介电、压电、电致应变等性能业已进行了深入的研究,它们具有反铁电2铁电相变(AFE 2FE )诱导电场小,电滞损耗低,相变时应变量高(018%),响应时间快(1—2μs ),相变时可在微秒时间内放出高功率脉冲电流等特点,从而可作为高功率换能器和高性能位移型执行器材料已引起人们极大的兴趣并受到重视[1—7].然而这类材料在等静压下的介电、压电和相变性能研究较少,我们对掺镧La 的PZST 陶瓷材料在等静压下进行了相变性能研究,结果表明这类材料具有压力诱导的铁电2反铁电相变(FE 2AFE )特性;测试了材料在不同温度下的介电性能随压力的变化曲线即介电压力谱,温度又极大地影响其相变压力和介电压力谱;测试了不同压力下的介电性能随温度的变化曲线即介电温度谱,压力也极大地改变其相变温度和介电性能,而且压力对铁电2反铁电材料扩散相变和介电弛豫行为的影响比温度的影响更加明显.2 实验 选取一个典型样品,其化学配比为Pb 0.97La 0.02(Zr 0.65Sn 0.235T i 0.115)O 3,采用传统电子陶瓷工艺,通过混料,烘干,900℃预烧2h ,研磨,造粒,压制成直径10mm 的圆片,铅气氛中1200℃烧结2h ,所得陶瓷样品的密度为719g Πcm 3.使用Rigaku D Πmax 22400型阳极转靶X 射线衍射仪对粉末试样进行结构分析.在切成厚度为1mm 的样品上镀银作为电极.电极化时,在样品上加上5kV Πmm 直流电场,同时升温到100℃左右,保持10min ,然后再降温到室温,用Z J 22型准静态测试仪对极化样品的压电系数d 33进行测量.在等静压力和介电性能测试时,1)采用120t 四柱双缸液压机双向加压,由同步箍紧式活塞圆筒型高压装置可产生2G Pa 流体等静压力,液压油作为液体传压介质,压力腔内装有锰铜丝作为压力计,连续慢速(1MPa Πs )加压,通过K eithley 万用数字表测量锰铜丝电阻随压力的变化来确定等静压值,相对误差小于012%.串联一个10μF 的电容来收集样品所释放的电荷,得到剩余极化强度与等静压力的关系曲线,即压致相变曲线.2)介电压力谱测量采用计算机控制的HP4274A LCR 测试系统,选取1,10,100kH z第50卷第9期2001年9月100023290Π2001Π50(09)Π1787208物 理 学 报ACT A PHY SIC A SI NIC AV ol.50,N o.9,September ,2001ν2001Chin.Phys.S oc.三个频率进行测量,每次升压约5MPa ,两次升压时间间隔大约60s ,以达到并保持液体内压力平衡,得到了室温介电常数和介电损耗随压力变化曲线即介电压力谱.3)在压腔内接入一个小电炉,可使传压介质和样品同时从室温加热到200℃以上,再次测量极化样品所释放的电荷和介电性能,得到不同温度条件下的剩余极化强度和介电常数随压力变化关系曲线,其结果介电性能和相变压力发生了很大变化;又利用计算机控制的HP4274A LCR 测试系统测得处于压腔内的极化样品和非极化样品的介电常数随温度的变化关系,并施加不同的等静压力,得到不同等静压力条件下的介电温度谱曲线,其结果相变温度发生了显著变化.3 结果与讨论311 剩余极化与静水压的关系用X 射线衍射对粉末样品进行结构分析,极化前样品位于四方反铁电相和三方铁电相相界附近的四方反铁电相一侧(AFE T ),在电场作用下,极化成亚稳的三方铁电相(FE R ),极化样品在等静压作用下,在某个压力值附近发生压力诱导的四方反铁电相变,压力撤除后,样品恢复到极化前的状态,即样品又恢复到四方反铁电相.图1给出了X 射线衍射分析结果,表明了未极化样品经极化和等静压之后晶体结构发生的变化.图1 样品在极化前、极化后和压力撤除后的XRD 曲线 电极化后,测得样品的压电系数d 33=60×10-12C ΠN ,在等静压力作用下,在某个压力值附近发生压力诱导的从三方铁电相到四方反铁电相的转变,在极短的时间内,释放出电极化时所贮存的全部电荷,通过计算得到极化样品的剩余极化强度P r 值.图2给出了室温下样品的剩余极化强度P r 和剩余极化强度对等静压力的导数d P r Πd p 随等静压力p 变化的关系曲线.由图可以看出,曲线变化较陡,相变压力从70MPa 起,极化电荷开始释放,脉冲电流开始出现,到p c =110MPa 时相变结束,样品转变到四方反铁电相,极化电荷全部释放完毕,经计算,加压前样品的剩余极化强度可达30μC Πcm 2,具有连续压致相变的特征,压力撤除后样品恢复到极化前的状态.312 温度对压致相变的影响在压腔内,把样品加热,温度从室温加热到200℃左右,再次加压力测量极化样品释放的电荷,我们得到在一定温度条件下剩余极化强度与等静压的关系,如图3所示,加热到50℃时,极化电荷已经减少,故相变压力降到了60MPa ,加热到60℃,相变压力降到了40MPa 左右,可见,升温使该样品的相变压力降低.如果再加热到80℃,样品会完全热去极化,剩余极化强度退化为零,此时样品已转变为四方反铁电相,即使再加压力至600MPa ,也没有脉冲电流出现,压致相变消失.8871物 理 学 报50卷图2 室温下极化样品的剩余极化强度与等静压力的关系曲线图3 温度对极化样品压致相变的影响313 介电常数与静水压的关系对极化样品在不同的等静压力下测量其介电常数和介电损耗,得到室温条件下的介电压力谱,从图4中可以看出:1)极化样品的压电系数d33=60,其介电常数εr和介电损耗tgδ先随压力升高而增加,并出现峰值,然后降低,且介电损耗tgδ的峰值压力p c小于介电常数εr的峰值压力p m.样品的介电损耗tgδ峰值压力pc=135MPa,介电常数εr的峰值压力pm=235MPa,两者相差大约100MPa,但初始压力时的介电常数比较低.2)样品的介电常数压力谱曲线宽化,不显示尖锐的峰,呈现出相当宽的平缓的峰,其宽化范围为100MPa左右.因而铁电相转变到反铁电相的相变压力不是一个压力点,而是一个压力范围,其介电常数压谱曲线峰位介于130—240MPa之间.可见样品具有压力诱导的扩散相变的特点[8].3)在整个升压过程中,介电常数和介电损耗曲线存在频率弥散和极化弛豫,尤其在相变前后,出现很强的频率弥散;在相变区域,存在相对弱的频率弥散,可见压力对介电性能很敏感;但两个峰值压力p m和p c又与频率无关,结合我们其他的研究结果[9],介电压谱在整个升压过程中的这种压力诱导的介电频率弥散和极化弛豫是一种普遍的共同现象,这些特征与弛豫型铁电体的介电温度特性相似,但频率弥散程度更加强烈.从钙钛矿分子结构看,A 位La原子部分取代Pb原子引起A位组分无序和主晶格的A位产生空位,这种无序导致局域偶极纳米微畴或极化团簇,在室温常压和电场作用下,关联纳米微畴极化涨落的关联程度快速增加,关联长度将这些纳米微畴耦合成较大的极化团簇,库仑相互98719期徐 卓等:等静压和温度诱导的Pb La(Z r,Sn,T i)O3反铁电陶瓷相变和介电性能研究作用力增强,形成了长程有序的铁电三方相,电场撤除后,剩余的铁电相仍然存在.在等静压作用下,长程有序被打破,原已长大的极化团簇被打碎,关联长度迅速降低,由于铁电态中还存在纳米微畴,导致频率弥散和弛豫行为出现,这是压力条件下的弛豫型铁电行为,当压力增加到pc时,样品发生了反铁电相转变,介电损耗tgδ曲线出现峰值,由于纳米微畴的极化涨落,压力持续增加到pm时,介电常数εr曲线才达到峰值,伴随曲线宽化和扩散相变,在pm以上,关联长度随着压力连续升高而继续降低,极化团簇随着压力增加变得越来越小,在整个反铁电区域都出现频率弥散和弛豫行为,可以说,在压力作用下,由于极化纳米微畴之间的关联长度减小,导致介电弛豫和扩散相变,出现弛豫型铁电和弛豫型反铁电行为.如果说多组元的铁电材料由于组分涨落和纳米微畴极化涨落在温度诱导下出现了极化弛豫行为,同样有理由说多组元的铁电和反铁电材料由于组分涨落和纳米微畴极化涨落在压力诱导下也会出现极化弛豫现象,而且压力诱导的这种极化弛豫比温度诱导的更加直观和明显,物理本质更加明确.4)该样品经等静压去极化并撤除等静压后,样品恢复到四方反铁电相,重新测得压电系数d33=0,然后再施加等静压测量其介电性能,介电常数εr和介电损耗tgδ随压力升高线性减少,当压力增至600MPa时,也没有反常变化,因此没有相变发生,仍然保持四方相不变,只不过有频率弥散和弛豫现象出现.图4 极化样品室温介电压力谱314 温度对介电压力谱的影响当在压腔内把样品和传压介质加热,介电压力谱出现明显的变化,如图5所示.样品加热到50℃时,相变压力明显降低,介电压力谱的峰值压力降为60MPa,继续加热到100℃时,介电压力谱的峰几乎消失,介电常数随压力线性下降,这说明温度使样品的极化程度减低,在100℃左右铁电相消失,已转变成反铁电相,压致相变不再发生,但由于温度的升高,初始压力时的介电常数比室温时初始压力时的介电常数大.从图5中还看出,此时样品的频率弥散也比室温频率弥散更加明显.这说明温度导致的介电频率弥散和压力导致的频率弥散同时存在,使其频率弥散和极化弛豫才更加强烈.315 介电常数与温度的关系如图6所示.样品未极化时,晶体结构为四方反铁电相,压电系数d33=0,在压腔内把样品加热,取1kH z,10kH z,100kH z三个频率在常压下测量介电常数随温度的变化,加热时峰值温度Tm约为179℃时由四方反铁电相转变为立方顺电相,有热滞,相变是一级相变,反铁电相和顺电相都出现介电弥散;样品极化后,诱导出三方铁电相,三方铁电相的晶格常数较之四方反铁电相的晶格常数增加,使得晶胞体积增大,测得压电系数d33=60,在常压下测量介电常数随温度的变化,介温曲线有两个峰,Tm1为82℃,而Tm2为176℃左右,极化样品显示了两个温度诱导的相变,即82℃时由三方铁电相变成四方反铁电相,176℃时由四方反铁电相变成立方顺电相,极化样品的介电常数比未极化样品的介电常数明显降低,介电弥散有所增强.此时介电损耗tgδ也在70℃附近出现峰值.316 等静压对介电温度谱的影响在压腔内把未极化样品加热,取1kH z,10kH z,100kH z三个频率在几个不同等静压力(100MPa,200MPa,300MPa,400MPa)下测量介电常数随温度的变化,发现相变峰值温度Tm随压力增加而升高,温0971物 理 学 报50卷度T m 从011MPa 时的177℃增加到400MPa 时达195℃,d T m /d p =4.5℃Π100MPa ,说明反铁电相变温度随压力增加而升高,这与反铁电体锆酸铅陶瓷(PbZrO 3)的情况一致[10].峰值介电常数εm 随压力增加而下降,也随频率升高而下降,介电温度谱曲线峰位随压力增加更加宽化,扩散相变更加明显,由于峰值介电常数εm 不断降低,介电温度谱曲线变得更加平坦,T m 处的介电反常显著地变小,可以推测,随着压力的进一步增加,温度诱导的相变可能要在很高的温度下才能实现,在顺电相仍有介电频率弥散,如图7和图8所示.该样品极化后,已变成三方铁电相,压电系数d 33=60,再次放入压腔加热,在不同等静压力下测量介电常数随温度的变化,得到了与未极化样品完全不同的结果,当压力加到80MPa 时,介电温度谱曲线上的两个峰值温度T m1和T m2有不同的变化.第一个峰值温度T m1下降到49℃,介电损耗tg δ的峰值温度下降到43℃,这证实了位移型铁电2反铁电相变温度随压力增加而下降这一普遍规律,同时也说明样品极化后确实变成了铁电体,铁电相有弱的频率弥散.第二个峰值温度T m2上升到180℃,这也证实了样品经过第一个峰值温度后,确实转变成了反铁电相,反铁电2顺电相变温度随压力升高而上升,反铁电相也有弱的频率弥散,顺电相有强的频率弥散,曲线峰变宽,出现扩散相变.有趣的是,当压力增加到100MPa 时,极化后的三方铁电相在该压力作用下已恢复到极化前的四方反铁电相,第一个峰值温度T m1已经消失,第二个峰值温度Tm2随压力增加而升高,铁电相和顺电相的介电弥散更明显,如图9所示.图5 温度对极化样品介电压力谱的影响图6 未极化样品和极化样品在常压下的介电常数ε与温度T 的关系19719期徐 卓等:等静压和温度诱导的Pb La (Z r ,Sn ,T i )O 3反铁电陶瓷相变和介电性能研究图7 未极化样品在不同等静压力下的介电温度谱图8 未极化样品在不同等静压力下在103H z介电温度谱的比较图9 极化样品在80MPa 和100MPa 压力下的介电温度谱2971物 理 学 报50卷4 结论根据以上的实验结果表明,这类材料的铁电2反铁电相变和介电性能与压力密切相关,在压致相变中,压力像温度一样,作为一个基本独立变量支配着相变特性和介电性能,温度使铁电2反铁电相变压力降低,压力使铁电2反铁电相变温度降低,使反铁电2顺电相变温度升高.另一方面,对于多组元复杂体系,由于组分的涨落和纳米微畴的极化涨落会出现压力诱导的极化弛豫、频率弥散和扩散相变,这对丰富极化弛豫和扩散相变的认识和理解是有意义的.尤其对反铁电体在压力下出现频率弥散和扩散相变的现象值得进一步研究,以期引起人们对铁电2反铁电材料在压力诱导下这一新现象的注意和兴趣.[1]L.Shebanov,M.K usnets ov,A.S ternbaerg,J.Appl.Phys.,76(1994),301.[2]Q.Y.Jiang, E.C.Subbarao,L.E.Cross,J.Appl.Phys.,75(1994),433.[3] C.T.Blue,J.C.H icks,S.E.Park,Appl.Phys.Lett.,68(1996),294.[4]P.Liu,T.Q.Y ang,Z.Xu et al.,Acta Physica Sinica,47(1998),1727(in Chinese)[刘鹏等,物理学报,47(1998),1727]. [5]P.Liu,T.Q.Y ang,Z.Xu et al.,Acta Physica Sinica,49(2000),1852(in Chinese)[刘鹏等,物理学报,49(2000),1852]. [6]P.Liu,T.Q.Y ang,Z.Xu et al.,Chinese Science Bulletin,43(1998),961(in Chinese)[刘鹏等,科学通报,43(1998),961].[7]P.Liu,T.Q.Y ang,Z.Xu et al.,Chinese Science Bulletin,43(1998),2563(in Chinese)[刘鹏等,科学通报,43(1998),2563].[8]W.L.Zhong,Ferroelectric Physics(Science Press,Beijing,1997),p.346(in Chinese)[钟维烈,铁电物理学(科学出版社,北京,1997),p.346].[9]Z.Xu,F.L.W ang,Y.J.Feng et al.,Ferroelectric,229(1999),103.[10]M.E.Lines,A.M.G lass,Principles and Applications of Ferroelec2trics and related M aterials(Clarendon,Ox ford,1997)[M.A.莱因斯,A.M.格拉斯(著),钟维烈(译),铁电体及有关材料的原理和应用(科学出版社,北京,1989),p.177].39719期徐 卓等:等静压和温度诱导的Pb La(Z r,Sn,T i)O3反铁电陶瓷相变和介电性能研究4971物 理 学 报50卷H YDROSTATIC PRESSURE AN D TEMPERATURE IN DUCEDPHASE TRANSITION AN D DIE L ECTRIC PROPERTIES OF La2DOPED Pb(Zr,Sn,Ti)O3ANTIFERROE L ECTRIC CERAMICS3X U Z H UO F E NG Y U2JUN Z HE NG S H U2G UANG J IN A N W ANG F ANG2LIN Y AO X I(Electronic Materials Research Laboratory,Xi’an Jiaotong Univer sity,Xi’an 710049,China)(Received5February2001;revised manuscript received25M arch2001)A BSTRACTHydrostatic pressure and tem perature induced phase transition and dielectric properties of La2doped Pb(Z r,Sn,T i)O3anti2 ferroelectric ceram ics were studied.The effects of tem perature on the pressure2induced phase transition and the dielectric property dependence on pressure have been investigated.It was found that rise of tem perature makes the ferroelectric2antiferroelectric phase transition pressure decrease.And it was observed that hydrostatic pressure makes the ferroelectric2antiferroelectric phase transition tem perature decrease and the antiferroelectric2paraelectric phase transition tem perature increase.The results are of help in understanding the behaviors of pressure2induced dielectric frequency dispersion and diffuse phase transition exising in the anti2 ferroelectric ceram ics with com position and polar nanodomain fluctuations.K eyw ords:hydrostatic pressure and pressure2induced,ferroelectric2antiferroelectric,phase transition,dielectric properties de2 pendence of pressure and tem peraturePACC:7780,6470ΞProject supported by the National Defensive pre2Research Fund of China(G rant N o.98J12.1.9).。
热释电效应及应用
热释电效应及应用作者：xxx 学号：xxxxxxx【摘要】本文从热释电的起源谈起，重点说明了热释电效应、热释电测温原理，以及讨论了热释电效应的两种应用——热释电探测器和热释电传感器。
又说明了热释电探测器的性能参数以及热释电探测器目前和未来的应用。
关键字：热释电热释电效应热释电探测器热释电传感器热释电材料1、热释电效应的起源早在公元前315年，古希腊学者在《论石头》一书曾有这样的叙述：电气石不仅能吸引麦秸屑和小木片，而且也能吸引铜或铁的薄片。
这可能是有关热释电现象的最早记录。
具有自发极化的物体，当它的温度发生变化时会产生过剩的表面热释电电荷。
这种热释电效应与熟知的温差电效应不同。
温差电效应是由于电偶两端的温度不同引起电动势。
面热释电效应是由于某些电介质的自发极化随温度变化产生的。
热释电效应只对温度的变化率有响应。
使物体温度发生变化的热交换方式有传导、对流和辐射，但经常使用的是辐射加热方式使热释电材料升温，所以热释电效应的主要应用是制作红外探测器，又称辐射传感器。
这类探测器是以光——热——电转换方式来检测电磁辐射，所以是一种热敏感型器件。
2、热释电效应对于各项异性晶体，晶体存在着固有的自发电极化。
晶体的温度发生变化时，晶体的自发极化强度也随之改变，与极化强度方向垂直的晶体表面就会产生热释电电荷。
宏观上是温度的改变是在材料的两端出现电压或产生电流。
但是，通常情况下这类晶体并不显出外电场因为若这种材料是导体，那么它的自由电荷分布将与内电矩相抵消；如果这种材料是绝缘体，则杂散电荷被吸引而趋附在表面直到与极化引起的表面电荷相抵消，当晶体的温度变化比较快而内部的或外界的电荷来不及补偿热释电电荷，这时会显出外电场这种晶体随温度变化而产生电荷的现象称为热释电效应。
3、热释电材料热释电材料首先是一种电介质，是绝缘体。
它是一种对称性很差的压电晶体，由于分子间正负电荷中心不重合而产生的自发电极化即固有电偶极矩。
在垂直电极化矢量P s 方向的材料表面就会产生束缚电荷，面电荷密度σs=|P s |。
热释电陶瓷在加热速率中的应用
热释电陶瓷在加热速率中的应用摘要：在陶瓷、玻璃及金属的熔融过程中，温度的控制是关键问题。
很多物质比如SiO2在晶型转变时加热速率的控制是十分重要的问题，升温速率控制不好则有可能导致晶型的快速逆转以及产生玻璃晶相，严重影响产品的性能,因此加热速率的大小探测是十分重要的.然而我们可以应用一些物质的热释电效应来进行测量。
能产生热释电效应的晶体称为热释电体，常用的探测器材料锆钛酸镧（PLZT）陶瓷的性能较好。
热释电陶瓷主要用于制造红外探测器。
具有响应频谱宽、响应速度快、可在室温下工作和价格便宜等优点。
关键词：SiO2晶型转变；热释电效应；锆钛酸镧（PLZT）陶瓷引言：当一些物质受热时，在物质两端将会产生数量相等而符号相反的电荷。
这种由于热变化而产生的电极化现象称为热释电效应。
当红外辐射入射到薄片物质表面时，薄片因吸收辐射而发生温度变化，引起极化强度的变化。
而中和电荷由于材料的电阻率高跟不上这一变化，其结果是薄片的两表面之间出现瞬态电压。
若有外电阻跨接在两表面之间，电荷就通过外电路释放出来。
电流的大小除与热释电系数成正比外，还与薄片的温度变化率成正比，可用来测量入射辐射的强弱（,p=dP/dT），如果在热电元件两端并联上电阻，当元件受热时，则电阻上就有电流流过，在电阻两端也能得到电压信号。
热释电陶瓷主要用于制造红外探测器，此外还可制成红外成象器件，用于夜视仪及军事设备、医疗诊断和电子线路热故障检测等领域，热释电效应在近10年被用于热释电红外探测器中，广泛地用于辐射和非接触式温度测量、红外光谱测量、激光参数测量、工业自动控制、空间技术、红外摄像中，且得到良好的评价。
正文原理：1.热释电效应当一些物质受热时，在物质两端将会产生数量相等而符号相反的电荷。
这种由于热变化而产生的电极化现象称为热释电效应。
通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被空气中附集在晶体外表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能显示出来。
当温度变化时，晶体结构中的正、负电荷重心产生相对位移，晶体自发极化值就会发生变化，在晶体表面就会产生电荷耗尽。
多场耦合下PLZT陶瓷光致电场效应及其应用
多场耦合下PLZT陶瓷光致电场效应及其应用黄家瀚;张崇;王骥;王新杰【摘要】针对现有数学模型对高能紫外光束照射下PLZT陶瓷光生电压实验变化规律无法进行合理解释的问题,基于多物理场耦合机制分析构建了PLZT陶瓷多场耦合下的光致电场数学模型,并对光致电场实验曲线进行了理论分析,然后针对光生电压控制提出了单片PLZT陶瓷ON-OFF闭环控制和双片PLZT陶瓷双光源协调激励控制策略,取得了较好的控制效果,探讨了PLZT陶瓷作为光控非接触式电动势源的可行性以及在微机电系统供能器件的应用前景,在此基础上,提出了光电-静电复合驱动微镜和PLZT陶瓷-介电弹性薄膜复合驱动的光控微泵装置.%The photo-induced voltage variation law of PLZT ceramic illuminated by high-energy ultraviolet can't be explained appropriately based on the current mathematical model. Concerning this issue,the mathematical model of photo-induced electric field with the coupling multiple energy fields was constructed according to the multi-physics coupling mechanism,based which the experimental phenomenon of photo-induced voltage was analyzed theoretically. And then,the ON-OFF closed-loop control for single piece PLZT and the dual light sources coordinated irradiating control for PLZT bimorph were proposed and verified well control effect experimentally. The feasibility of PLZT ce-ramic as an optically non-contact control electromotive force source and the application prospect as an energy suppl-ying device in MEMS system were discussed. On this basis the photovoltaic-electrostatic hybrid actuated micromirror and the PLZT-Dielectric film hybrid driven optically operated micropump were proposed.【期刊名称】《传感技术学报》【年(卷),期】2018(031)006【总页数】8页(P872-879)【关键词】PLZT陶瓷;多物理场耦合;光致电场;复合驱动微镜;光控微泵【作者】黄家瀚;张崇;王骥;王新杰【作者单位】宁波大学机械工程与力学学院,浙江宁波315211;宁波大学机械工程与力学学院,浙江宁波315211;宁波大学机械工程与力学学院,浙江宁波315211;南京理工大学机械工程学院,南京210094【正文语种】中文【中图分类】TP393微光学技术、集成电路技术、微机械技术及集成工艺制作技术融合形成了多学科交叉的前沿研究领域——微光机电系统MOEMS(Micro-Optical-Electro-Mechanical-System),基于该系统易于微小型化、响应速度快和能耗低的特点,微光机电系统已被广泛应用于光通信、生物技术以及航空航天等方面。
热释电效应 Pyroelectric Effect
热释电效应Pyroelectric Effect 热释电效应；表征和测量；微观机制；相变和应用。
电介质材料之间的关系电介质材料压电材料热释电材料铁电材料压电陶瓷材料约在公元前300年人们就发现了热释电效应。
不过热释电的现代名称pyroelectricity是1824年才由布鲁斯特引入的。
热释电效应很早就被发现的原因是他们很容易显示出来。
关于热释电效应的最早的记录就是电气石吸引轻小物体。
早期主要是对现象的描述，从19世纪末开始，随着近代物理的发展，关于热释电效应的定量和理论的研究日益发展。
在二十世纪六十年代以来，激光和红外技术的发展极大的促进了热释电效应及其应用的研究，丰富和发展了热释电理论，发现和改变了一些重要的热释电材料，研制了性能优良的热释电探测器和热释电摄像管等热释电器件。
热释电效应及其应用已经成为凝聚态物理和技术中活跃的研究领域之一。
这里主要介绍两部分内容。
一是热释电效应的表征和热释电性的测量方法；二是热释电效应的微观机制，热释电效应与相变的关系及热释电材料应用的一些问题。
热释电效应热释电效应指的是极化强度随温度改变而表现出的电荷释放现象，宏观上是温度的改变是在材料的两端出现电压或产生电流。
考虑一个单畴化的铁电体，其中极化强度的排列使靠近极化矢量两端的表面附近出现束缚电荷。
在热平衡状态下，这些束缚电荷被等量反号的自由电荷所屏蔽，所以铁电体对外界并不显示电的作用。
当温度改变时，极化强度发生变化，原先的自由电荷不能再完全屏蔽束缚电荷，于是表面出现自由电荷，他们在附近空间形成电场，对带电微粒有吸引或者排斥作用。
通过与外电路连接，则可在电路中观测到电流。
升温和降温两种情况下电流的方向相反，与铁电体中的压电效应相似，热释电效应中电荷或电流的出现是由于极化改变后对自由电荷的吸引能力发生变化，使在相应表面上自由电荷增加或减少。
与压电效应不同的是，热释电效应中极化的改变由温度变化引起，压电效应中极化的改变则是由应力造成的。
铁电陶瓷
铁电陶瓷材料的研究现状尤欣欣（渭南师范学院化学与生命科学学院，08级材料化学1班）摘要：本文论述了几种具有代表性的铁电陶瓷材料的研究现状，以及人们在研究过程中产生的新问题。
这几种材料主要包括层状铁电陶瓷，弛豫型铁电陶瓷，含铅型铁电陶瓷，无铅型铁电陶瓷，以及反铁电陶瓷材料。
最后，对未来的研究与应用前景进行了展望。
关键词：铁电陶瓷；铁电性；钙钛矿；研究0前言铁电陶瓷(ferroelectric ceramics)材料，是指具有铁电效应的一类材料，它是热释电材料的一个分支。
铁电陶瓷的主要特性为：(1)在一定温度范围内存在自发极化，当高于某一居里温度时，自发极化消失，铁电相变为顺电相；(2)存在电畴；(3)发生极化状态改变时，其介电常数-温度特性发生显著变化，出现峰值，并服从Curie-Weiss定律；(4)极化强度随外加电场强度而变化，形成电滞回线；(5)介电常数随外加电场呈非线性变化；(6)在电场作用下产生电致伸缩或电致应变。
其电性能：高的抗电压强度和介电常数。
在一定温度范围内(-55～+85℃)介电常数变化率较小。
介电常数或介质的电容量随交流电场或直流电场的变化率小。
铁电陶瓷的特性决定了它的用途。
利用其高介电常数，可以制作大容量的电容器、高频用微型电容器、高压电容器、叠层电容器和半导体陶瓷电容器等，电容量可高达0.45μF/cm2。
利用其介电常数随外电场呈非线性变化的特性，可以制作介质放大器和相移器等。
利用其热释电性，可以制作红外探测器等。
利用其压电性可制作各种压电器件。
此外，还有一种透明铁电陶瓷，具有电光效应，可用于制造光阀、光调制器、激光防护镜和热电探测器等。
目前，全球铁电元件的年产值己达数百亿美元。
铁电材料是一个比较庞大的家族，当前应用的最好的是陶瓷系列，其已广泛应用于军事和工业领域。
但是由于铅的有毒性及此类铁电陶瓷材料居里温度低、耐疲劳性能差等原因，应用范围受到了限制。
因此开发新一代铁电陶瓷材料己成为凝聚态物理、固体电子学领域最热门的研究课题之一。
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。
热释电陶瓷的应用-PPT文档资料
0407401 同的金属导线分别连接
起来，一端加热，一端冷却，那么 在导线中将产生电流。当电流流过 两根不同导线的两个接头时，则一 个接头放热，另一个接头吸热。另 外，在一段均匀的导线上，只要温 差存在，也会有电动势发生。这些 就是金属的热电效应。
半导体受热时，由于热激发载流
子增多，使其导电能力增大，电阻 下降。如果两种不同的半导体两端 相互连接成回路，当回路两端保持 温度不同，在回路中就会产生一个 电动势。这种情况称为半导体的热 电效应。
热释电效应
当一些晶体受热时，在晶体两端将会产
生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热 变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。
中国热释电材料的制作情况 热释电材料是红外探测器的关键敏感元材料。上海硅 酸盐研究所已开发出一系列具有自主知识产权的热释电陶 瓷材料产品，曾向国内有关用户批量提供热释电陶瓷材料， 有关器件水平达到或超过日本同类产品的水平。
部分热释电陶瓷材料性能
高电阻率 PZT 陶瓷材料 热释电系数 (C/cm•.k) 相对介电常数 介质损耗 电阻率(.cm) 4.510-8 300 510-3 101012 低电阻率PZT 陶瓷材料 3.510-8 210 <1% 1.21011
红外传感器
菲涅耳透镜把红外光线分成 可见区和盲区，同时又有聚 焦的作用，使热释电人体红 外传感器 (PIR) 灵敏度大大 增加。菲涅耳透镜作用一是 聚焦作用，将热释的红外信 号折射（反射）在PIR上；二 是将检测区内分为若干个明 区和暗区，使进入检测区的 移动物体能以温度变化的形 式在PIR上产生变化热释红外 信号，这样PIR就能产生变化 电信号。
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热释电效应形成原理
通常，晶体自发极化所产 生的束缚电荷被来自空气 中附着在晶体表面的自由 电子所中和，其自发极化 电矩不能表现出来。当温 度变化时，晶体结构中的 正负电荷重心相对移位， 自发极化发生变化，晶体 表面就会产生电荷耗尽， 电荷耗尽的状况正比于极 化程度。
PZT基反铁电材料研究进展
第35卷第4期 人 工 晶 体 学 报 Vol .35 No .4 2006年8月 JOURNAL OF SY NT HETI C CRYST ALS August,2006 PZT 基反铁电材料研究进展夏志国,李 强(清华大学化学系,北京100084)摘要:在综述Pb (Zr,Ti )O 3(PZT )基反铁电材料的研制与性能研究进展的基础上,重点探讨了PZT95/5反铁电材料和在PZT 基础上掺杂改性的Pb (Zr,Sn,Ti )O 3(PZST ),(Pb,La )(Zr,Sn,Ti )O 3(P LZST )反铁电材料。
总结了利用La 3+、Nb 4+、Hf 4+、Sr 2+、Ba 2+和Nd 3+等离子对富锆PZT 以及PZST 粉体、陶瓷以及薄膜材料的掺杂取代改性研究。
讨论了各类PZT 基反铁电材料的铁电(FE )2反铁电(AFE )相变机理以及其场致应变性能。
展望了PZT 基反铁电材料今后研究与应用的发展方向。
关键词:反铁电材料;铁电2反铁电相变;PZT95/5;PZST;P LZST中图分类号:T B43;T M221 文献标识码:A 文章编号:10002985X (2006)0420835209Study on Progress of An ti ferroelectr i c M a ter i a ls ba sed on PZTX I A Zhi 2guo,L I Q iang(Depart m ent of Che m istry,Tsinghua University,Beijing 100084,China )(Received 16N ove m ber 2005)Abstract:The antiferr oelectric materials based on lead zirconate titanate (PZT )are briefly revie wed .The typ ical anti 2ferr oelectric materials,PZT95/5,tin modified lead zirconate titanate (PZST )and its modificati ons,Lead lanthanu m stannate zirconate titanate (P LZST )are su mmarized,res pectively .H igh zirconium content PZT and PZST powders,cera m ics and fil m s doped by La3+,Nb 4+,Hf 4+,Sr 2+,Ba 2+and Nd 3+are su mmed up,as well as their modificati on p rinci p les,p reparati on and p r operties .Based on these,the mechanis m s and transiti on p r operties of ferr oelectric (FE )t o antiferr oelectric (AFE )phase transiti ons in vari ous of PZT 2based antiferr oelectric materials are discussed .Further as pects of research and future devel opment about PZT 2based antiferr oelectric materials are p r oposed .Key words:antiferr oelectric materials;ferr oelectric 2antiferr oelectric phase transiti ons;PZT95/5;PZST;P LZST 收稿日期:2005211216 基金项目:国家自然科学基金(No .50272030,50572048) 作者简介:夏志国(19792),男,湖北省人,博士生。
新型热释电材料性能及其在红外探测器中的应用
第４２卷第４期２０１４年４月硅 酸 盐 学 报ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＴＨＥ ＣＨＩＮＥＳＥ ＣＥＲＡＭＩＣ ＳＯＣＩＥＴＹＶｏｌ．４２，Ｎｏ．４Ａｐｒｉｌ，２０１４ＤＯＩ：１０．７５２１／ｊ．ｉｓｓｎ．０４５４－５６４８．２０１４．０４．０１新型热释电材料性能及其在红外探测器中的应用李 龙，许 晴，赵祥永，罗豪甦（中国科学院上海硅酸盐研究所，上海２０１８００）摘 要：弛豫铁电单晶铌镁酸铅－－钛酸铅（ＰＭＮＴ），Ｍｎ掺杂ＰＭＮＴ，三元系铌铟酸铅－－铌镁酸铅－－钛酸铅（ＰＩＭＮＴ）和Ｍｎ掺杂ＰＩＭＮＴ）不仅具有优异的压电性能，而且还具有非常优异的热释电性能。
通过对弛豫铁电单晶的介电、热释电性能随固熔体组成、结晶学取向的研究，发现了［１１１］取向的ＰＭＮ－－０．２６ＰＴ和掺锰ＰＭＮ－－０．２６ＰＴ单晶的本征热释电系数分别达到１５．３×１０－－４ Ｃ／ｍ２ Ｋ和１７．２×１０－－４ Ｃ／ｍ２ Ｋ，具有优异的热释电综合性能。
掺杂后，二元和三元体系弛豫铁电单晶的介电损耗降至０．０００ ５，使得Ｍｎ掺杂ＰＭＮ－－０．２６ＰＴ单晶的探测优值从１５．３×１０－－５ Ｐａ－－１／２提高至４０．２×１０－－５ Ｐａ－－１／２，Ｍｎ掺杂ＰＩＭＮＴ的探测优值达到１９．５×１０－－５ Ｐａ－－１／２。
高Ｃｕｒｉｅ温度（ＴＣ）ＰＩＭＮＴ（４１／１７／４２）和Ｍｎ掺杂ＰＩＭＮＴ（２３／４７／３０）单晶的ＴＣ分别达到２５３℃和１７９℃。
采用红外吸收率更高的多壁碳纳米管作为吸收层，制备了基于Ｍｎ掺杂ＰＭＮＴ单晶的高性能热释电探测器，该探测器的电压响应率达到１１５ｋＶ／Ｗ（１０Ｈｚ），探测率在４Ｈｚ和１０Ｈｚ时分别达到３．０×１０９ ｃｍ·Ｈｚ１／２／Ｗ和２．２１×１０９ ｃｍ·Ｈｚ１／２／Ｗ，性能比目前商用的高性能ＬｉＴａＯ３探测器要高出４倍之多，弛豫铁电单晶线阵红外探测器也显示出了明显的性能优势。