铁电体的分类
铁电体的分类及制备技术
含铋层状结构
铋层状结构化合物是由二维的钙钛矿 和( Bi2O2)2+层按一定规则共生排列 而成. 化学通式为( Bi2O2)2+(Am1BmO3m+ 1)2-, 其中, A为B3+、 Pb2+、Ba2+、Sr2+、Ca2+、Na+、 K+、La3+、Y3+、U3+、Th4+等适 合12配位的+1、+2、+ 3、+ 4价离 12 +1 +2 + 3 + 4 子或由它们组成的复合离子,B为 Co3+、Cr3+、Zr4+、Ti4+、Nb5+、 Ta5+、W6+、M6+等适合于八面体 配位的离子或由它们组成的复合离子, m为整数, 称为层数, 即钙钛矿层的层 数, 其值可为1~ 5.以 CaBi4 Ti4O15 为例, ( Bi2O)2+为氧化铋 层,( CaBi2Ti4O13)2–为钙钛矿层, 在 钙钛矿层中A为 ( Ca2Bi2), B为Ti4, m= 4 右图为典型晶体结构示意图.
烧绿石型结构
烧绿石是矿物学上的一类矿物, 其通 用化学表达式为A2B2X6X′。其中, A 位可以容纳低价的离子半径为 01087—01151nm的阳离子(Bi , In, Tl , Pb2+,Sc, Cd, Hg2+, Ca, Sr, Mn2+,Sn2+或RE(镧系元素或Y)等) ; 而B位可以容纳有八面体配位的离子 半径在01040—01078nm的过渡金属 离子(Ru, Sn, Ti ,Mo, Mn, V, Ir, Te, Bi , Pb, Sb, Zr, Hf , Mg, Cu,Zn, Al , Cr, Ga, Rh等) ;烧绿石中的阴离子一 般是O2-、OH-、F-等[25, 26]。基于 离子尺寸和电荷考虑,烧绿石型结构 有两种公认的组成: (A3)2(B4+)2X6X′( Ⅲ—Ⅳ烧绿石)和 (A2+)2(B5+)2X6X′(Ⅱ—Ⅴ烧绿石)
铁电体的基本特征
铁电体的基本特征铁电体的基本特征铁电体是一种具有特殊电性质的材料，其具有两个极性状态，可以在外加电场作用下发生极化反转，这种特殊的性质使得铁电体在电子学、光学、声学等领域有着广泛的应用。
本文将从晶体结构、热力学性质、电学性质和磁学性质四个方面介绍铁电体的基本特征。
一、晶体结构铁电体的晶体结构通常是非中心对称晶体结构，其具有空间反演对称性破缺。
这种非中心对称结构使得铁电体具有了极化现象。
常见的铁电材料包括钛酸锆（ZrTiO4）、钛酸镧（LaTiO3）、钛酸钡（BaTiO3）等。
二、热力学性质1.相变温度铁电材料具有相变温度，即在一定温度范围内由无序相向有序相转变。
这种相变通常伴随着极化反转现象。
例如，BaTiO3在120℃左右发生相变，同时极化方向也发生了反转。
2.比热和热容铁电材料的比热和热容通常具有峰值，在相变温度附近出现。
这是因为相变时铁电材料吸收或释放大量的热量。
三、电学性质1.极化铁电体具有两个稳定的极化状态，即正向极化和负向极化。
在外加电场作用下，铁电体可以发生极化反转，即从一个稳定状态转变为另一个稳定状态。
这种极化反转现象是铁电材料应用于存储器、传感器等领域的基础。
2.介电常数铁电体的介电常数随着温度和频率的变化而变化。
在相变温度附近，介电常数会发生突变，这是因为相变时极化方向发生了反转。
四、磁学性质1.自旋玻璃态一些铁电材料具有自旋玻璃态，即在低温下呈现出玻璃态，并且具有自旋玻璃特征。
例如，BiFeO3就是一种具有自旋玻璃态的铁电材料。
2.多铁性一些铁电材料同时具有铁磁性和铁电性，这种材料被称为多铁材料。
多铁材料具有更加丰富的物理性质和应用前景。
例如，BiFeO3就是一种典型的多铁材料。
总结铁电体具有非中心对称晶体结构、相变温度、比热和热容、极化、介电常数、自旋玻璃态和多铁性等特征。
这些特征使得铁电体在存储器、传感器、光学器件等领域有着广泛的应用前景。
(优选)PPT铁电与反铁电的比较
铁电体的研究进展
第一性原理的计算
现代能带结构方法和高速计算机的反展使得对 铁电性起因的研究变为可能。通过第一性原理 的计算，对BaTiO3、PbTiO3、KNbO3和LiTaO3等铁 电体，得出了电子密度分布，软模位移和自发 极化等重要结果，对阐明铁电性的微观机制有 重要作用。
尺寸效应的研究
随着铁电薄膜和铁电超微粉的发展，铁电尺寸 效应成为一个迫切需要研究的实际问题。近年 来，人们从理论上预言了自发极化、相变温度 和介电极化率等随尺寸变化的规律，并计算了 典型铁电体的铁电临界尺寸。这些结果不但对 集成铁电器件和精细复合材料的设计有指导作 用，而且是铁电理论在有限尺寸条件下的发展。
在顺电-铁电相变中，各晶胞中出现了电偶极 矩，铁电相晶胞与顺电相晶胞比较，只是发生 了微小的畸变。在顺电-反铁电相变中，顺电 相的相邻晶胞出现了方向相反的偶极矩，显然 这样的“晶胞”已不能作为反铁电相的结构重 复单元。反铁电相晶胞的体积因而是顺电相晶 胞的倍数。晶胞体积倍增是反铁电相变的特征 之一。反铁电相变可认为是顺电相相邻晶胞出 现反向极化的结果，于是反铁电相点群可由顺 电相点群与反向极化的叠加而得出。
铁电体的性质
铁电 性
介电 性
铁电 体
压电 性
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。
介电性：将某一均匀的电介质作为电容器的介质而 置于其两极之间，则由于电介质的极化，将使电容 器的电容量比真空为介质时的电容量增加若干倍的 性质。
铁电体与反铁电体的相同点
在相变温度时，介电常数出现反 常值；
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。
铁电体、热释电体、压电体和介电体及其之间的关系
铁电体、热释电体、压电体和介电体及其之间的关系
铁电体、热释电体、压电体和介电体都是电子材料种类之一，它们在电子领域和工业
领域中有着广泛的应用，是电子材料中的重要种类。
下面我们来了解一下这些电子材料之
间的关系。
铁电体：铁电体是具有铁电性的晶体材料，铁电性是材料自身结构的一个特性，即当
材料暴露在电场中时，会发生电偶极矩的取向变化。
这个特性使得铁电体在电子产品中有
非常广泛的应用，比如它可以用作电容器、震荡器、传感器、存储器等，这些器件在电子
产品中起到重要的作用。
热释电体：热释电体是一种能够将温度变化转化为电能的材料，也叫做热电材料。
热
释电体使用的原理是通过热电效应将热能转化为电能，这个效应是指材料在温度差异作用
下会产生电势差。
热释电体具有良好的稳定性和性能，可以应用于如温度测量、温差发电、制冷等领域。
介电体：介电体是一种在电场作用下不会导电的材料，介电体在电子器件中有广泛的
应用，比如用作电容器、滤波器、隔离器、保险丝等。
由于介电体具有较高的绝缘性能，
它可以防止电信号的干扰和噪声，可以使电子器件的性能更加稳定。
尽管以上这些电子材料在应用领域不同，但它们之间有着一些共同的特性，比如它们
都是晶体材料，都可以产生电势差并转化为电能，它们都可以在电子领域中应用，有着一
定的互相联系。
当然，它们也存在一些区别，这主要体现在各自使用效应的不同点上。
(完整PPT)第六章铁电性能和压电性能_材料物理(1)
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。
铁电体及其相变
3. 微波介质陶瓷
应用领域： 无线通信中的带通滤波器、频率振荡器、移相器等
（特别是在UHF（UltraHigh Frequency） 频段的应用）
评价微波介质陶瓷的性能指标： ——介电常数 Q ——损耗因子 f ——频率温度稳定系数
测试：矢量网络分析仪
第四章
铁电体
§4.1 铁电体的晶体结构及分类
钙钛矿铁电体的例子： BaTiO3，PbTiO3，PbTi1-xZrxTiO3 层状钙钛矿铁电体的例子： Bi4Ti3O12
c轴方向产生自发极化
相变： BaTiO3是最早发现的一种钙钛矿铁电体
顺电相 120oC 铁电相 5 oC 铁电相
立方晶系
120oC 四方晶系 四重轴的平移 5 oC
c轴方向产生自发极化
——二级相变
3. 铁电驰豫体
相变行为 介电常数随温度变化呈 弥散性铁电相变 表现特征：
Tp
ε
T (K)
Appl. Phys. Lett, 90, 102905 (2007)
1. 相变不是发生于某一个温度，而是发生在一个温区， 称居里温区。 电容率呈现极大值的温度Tp随频率满足下列关系：
u k B (T p T f )
§4.2 几种典型的铁电有序相
§4.3 铁电相变的热力学理论 §4.4 铁电体的电畴和极化反转
§10.1 铁电体的晶体结构和分类
具有自发极化且自发极化能随外电场 转向和变化，这类晶体为铁电体。 自发极化起因于晶体非中心对称引起 正负电荷中心的不重合。
D
O G F E B P
C
A
一、铁电体的一般性质
1.钙钛矿型铁电体 最多的一类铁电体， 通式：ABO3 (例：CaTiO3) 晶体结构：
铁电体
PS=？ C
a
a-b平面上偶极子 反平行排列
b
PS=？ C
温度诱导PbZrO3铁电-反铁电相变
a 升温
PbZrO3晶体的介电常数和热容
电场诱导PbZrO3铁电-反铁电相变
电介质储能机理
电介质、压电体、热释电体和铁电体
钙钛矿(ABO3) 型铁电体是为数最多的一类铁电体
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
自发极化的测量：Sawyer-Tower 电路
• 位移型铁电体：钙钛矿或者烧绿石结构的，钛酸钡、铌酸镉、铌酸锶 • 有序-无序型相变：RS，KDP，TGS
结晶化学
• 氢键铁电体： RS，KDP，TGS； 双氧化物铁电体：BT， KN,KT,NN
极化轴
• 单轴铁电体:RS，KDP，TGS • 多轴铁电体:BT,铌酸镉
有无对称中心
• 无对称中心：KTN，KDP • 有对称中心：BT，TGS
第二节：铁电体的结构相变
居里温度 Curie temperature Tc
当晶体从高温降温经过Tc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Tc时，晶
体不具有铁电性，温度低于Tc时，晶体呈现出铁电性。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。
电 畴
几种典型铁电体的性质
BaTiO3 ，KNbO3，SrNbO3，NaNbO3，PbZrO3， Cd2NbO7 KDP，磷酸二氢钾 KH2PO4 TGS，三甘氨酸硫酸盐，(NH2CH2COOH)3 H2SO4 RS，酒石酸钾钠（罗息盐）NaKC4H4O64H2O
铁电体
HefeiUniversity 铁电材料的应用系别：化工系学生姓名：陈浩专业班级：13无机非金属材料工程（2）班学号：1303032017铁电体铁电体是指可以产生自发极化并且自发极化可以随外电场的变化而发生转向的电介质材料,铁电体包含于压电体，压电体是指能够产生压电效应及逆压电效应的电介质材料，晶体具有压电性的前提是点群结构是非中心对称的。
结构中心对称的晶体发生形变后，其正电荷和负电荷中心仍然重合，不具备产生压电效应及逆压电效应的条件。
因为正负离子产生相互位移的结果是相互抵消的，所以只有不具备中心对称结构的晶体才具有压电效应可以成为压电晶体，但并不是具有压电效应的点群结构都可以产生自发极化强度，因为很多晶体的压电效应都是在某个特定方向产生的，说明该晶体的点群结构只在某个特定方向上非中心对称。
这就是说所有铁电体都是压电体，但压电体不一定是铁电体，比如石英，四硼酸锂等著名的压电体都不是铁电体[12]。
图1-2 电介质晶体分类在晶体学的32种点群中，有21种点群是非中心对称的，它们分别是1、2、m、222、2m m、4、4、422、4m m、3、32、422、3m、6、6、622、6m m、6m2、23、43m、432。
在这21种点群中，属于432点群的晶体至今未发现压电效应，这可能是由于432点群具有很高的轴对称性造成的，在这21种非中心对称的点群中有10种点群的晶体可能具有自发极化，它们是1、2、m、m m2、4、4m m、3、3m、6、6m m，并且在这10种点群晶体中自发极化还会随着温度的变化而发生改变，如果热胀冷缩效应足够大，那么温度的变化会导致应变的产生，这就是热释电效应，所以铁电体一定是属于可以产生自发极化的这10个点群范围内的[13]，图1-2中给出了几种晶体之间的关系。
铁电体的本质特性是可以产生自发极化，自发极化的产生是由于晶胞内部正负电荷中心不重叠而形成电偶极矩的体现，铁电体呈现自发极化状态，在其正负端面分别出现一层符号相反的束缚电荷使其净电压发生变化。
材料制备与表征复习资料
2009级《材料制备与表征》复习范围一．铁电材料1、感应式极化：离子晶体中最主要的极化形式是电子位移极化和离子位移极化，这两种极化都属于感应式极化，极化强度大小依赖于外施电场。
线性关系，E=0，P=0。
2、自发极化：铁电体所表现的自发极化，却是不依赖于外电场，并能随外电场反向而发生反转。
非线性关系，E=0，P≠0。
3、铁电体(ferroelectric)：具有自发极化，且自发极化方向能随外场改变的晶体。
它们最显著的特征，或者说宏观的表现就是具有电滞回线。
4、电滞回线(hysteresis curve)：铁电体在铁电态下极化对电场关系的典型回线。
5、电畴（domain）：在铁电体中，固有电偶极矩在一定的子区域内取向相同的这些区域就称为电畴或畴。
6、畴壁（domain wall）：畴的间界。
7、铁电相变：铁电相与顺电相之间的转变。
当温度超过某一值时，自发极化消失，铁电体变为顺电体。
8、居里温度（Curie temperature or Curie point）：铁电相变的温度。
9、铁电体的分类：1）按结晶化学；2）按力学性质；3）按相转变的微观机构；4）按极化轴多少。
10、铁电陶瓷：在一定温度范围内具有自发极化，且自发极化能为外电场所转向的陶瓷称为铁电陶瓷。
典型的铁电材料BaTiO3什么是电畴？电畴是如何形成的，180°畴和90°畴有何异同？答：在铁电体中，固有电偶极矩在一定的子区域内取向相同的这些区域就称为电畴或畴。
电畴的形成过程：新畴成核、畴的纵向长大、畴的横向扩张和畴的合并四个阶段。
180°畴自发极化方向相反，反平行，在晶体中不产生应力；180°畴前移速度比侧向移动速度快几个数量级。
畴壁薄。
90°畴的自发极化方向相互正交，有应力产生。
新畴的发展主要依靠外电场推动90°畴壁的侧向运动。
畴壁较厚。
自发极化与铁电体的概念？答：自发极化：铁电体所表现的自发极化，却是不依赖于外电场，并能随外电场反向而发生反转。
铁电体压电体永电体
3. 永电体（驻极体）
永电体： 外界条件撤去后，能长期保留其极化状态， 且不受外电场的影响的一类电介质。 永电体的制备方法：
热驻极法、电驻极法、光和磁驻极法等
永电体的应用：
永电体换能器（传感器）。
压电现象和电致伸缩的应用： 压电现象可用来变机械振动为电振荡，电致 伸缩可变电振荡为机械振动。
永电体
3. 永电体（驻极体）
永电体： 外界条件撤去后，能长期保留其极化状态， 且不受外电场的影响的一类电介质。 永电体的制备方法：
热驻极法、电驻极法、光和磁驻极法等
永电体的应用：
永电体换能器（传感器）。
永Байду номын сангаас体
§9-9
铁电体
压电体
永电体
1. 铁电体
铁电性： 电极化规律具有复杂的非线性，并且撤 去外场后能保留剩余极化，这种性质叫 铁电性。 铁电体： 具有铁电性的电介质，如钛酸钡陶瓷、酒 石酸钾钠单晶。
铁电体
电滞现象与电滞回线（以钛酸钡为例）
t 120 C
o
P
t 120 C
o
P
B
Pr
Ps
A
o
E
Ps
C
o
Pr
E
D
温度较高时，电极 化强度与电场强度 成正比。
温度较低时，电极化强度与 电场强度不成正比，而是滞 后于电场强度的变化，形成 电滞回线。
压电体
2. 压电体
压电现象： 某些离子型晶体的电介质，由于结晶点 阵的有规则分布，当发生机械变形时， 能产生电极化现象，称为压电现象。
电致伸缩： 晶体在带电或处于电场中时，其大小发 生变化，即伸长或缩短，是压电现象的 逆现象。
驻极体常用材料
驻极体常用材料
以下是一些常用的驻极体材料：
1.铁电体：铁电体材料是一种具有铁电性质的材料，具有正电和负电极之间的极化特性。
常见的铁电体材料包括Pb(Zr,Ti)O3、BaTiO3等。
2.电介质：电介质是一类电性能力比空气或真空更好的非导体材料。
常见的电介质材料包括二氧化硅、氧化铝等。
3.电容器材料：电容器材料具有高电容率和低电阻率的特性，常见的材料有铝电解电容器的电解液、聚丙烯等。
4.电致变色材料：电致变色材料指的是能够在电场作用下产生颜色变化的材料，常见的材料包括氧化钨和氧化钒等。
5.磁电材料：磁电材料能够在磁场作用下产生电荷的变化，常见的材料包括镍锌铁酸盐、铬酸锶等。
6.压电材料：压电材料是一类能够在外力作用下发生形变和电荷变化的材料，常见的材料包括晶体石英、聚酰亚胺等。
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铁电体的分类
铁电体可以根据其结构和性质的不同进行分类。
根据化学成分的不同，铁电体可以分为无机铁电体和有机铁电体。
1. 无机铁电体：无机铁电体是指由无机化合物组成的铁电材料。
常见的无机铁电体包括铁电钛酸盐（如铌酸锂、钛酸钡等）和铁电钙钛矿（如钛酸钡钛矿、钛酸锶钛矿等）等。
2. 有机铁电体：有机铁电体是指由有机分子组成的铁电材料。
有机铁电体通常是由含有极性功能基团的有机化合物组成的，如聚醋酸乙烯酯（PVAc）、聚醋酸乙酯（PVA）等。
此外，铁电体还可以根据其晶体结构和相变特性的不同进行进一步的分类，如单斜铁电体、正交铁电体、四方铁电体等。