铁电体的分类及制备技术
铁电材料的制备及其铁电性能研究
铁电材料的制备及其铁电性能研究铁电材料是指具有铁电性质的材料，铁电性质是指在外加电场下，材料会发生极性翻转，即正负极性相互转换。
这种性质使铁电材料广泛应用于存储器、传感器、激光器、换能器、电容器等领域。
本文将介绍铁电材料的制备方法及其铁电性能研究。
一、铁电材料的制备方法1.溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是一种低温热处理制备铁电材料的方法。
首先，将合适比例的金属盐溶解在水和有机物的混合液中，然后使之脱水凝固，得到凝胶。
接着，将凝胶热处理干燥，形成透明的玻璃状材料。
该方法制备的铁电材料具有良好的机械性能和化学稳定性。
2.物理气相沉积法物理气相沉积法是一种高温热处理制备铁电材料的方法。
在该方法中，通过激光或者热蒸发等方式将材料原子或分子蒸发，沉积在基底上，形成薄膜结构。
该方法具有工艺简单、生产效率高等优点，可以制备出高质量的铁电薄膜材料。
3.气相沉积法气相沉积法是一种制备铁电材料薄膜的方法，通过气体反应沉积铁电薄膜。
该方法可以制备出大面积、高质量、低成本的铁电薄膜。
在该方法中，可以通过改变反应条件来控制铁电薄膜的性能，如薄膜的微观结构和组分等。
二、铁电材料的铁电性能研究研究铁电材料的铁电性能是了解材料电性能的一种重要手段。
以下是常用的铁电性能研究方法。
1.压电测试压电测试是通过在机械应力下测量铁电材料的电感生成能力来研究铁电性质。
在该测试中，将电极夹在铁电材料两端，给材料施加机械压力后，测量材料中电极间电势差的变化，进而计算出电感。
2.电容测试电容测试是一种测量铁电材料铁电性能的方法。
在该测试中，先将材料置于电场中，并在电场强度不断增大的过程中测量材料的电容变化，进而计算出材料的介电常数与电容变化量之间的关系。
通过电容测试可以了解材料的介电常数、铁电极化强度和耐电压强度等参数。
3.极化测试极化测试是一种研究材料极化行为的方法。
该测试中，通过在外场的作用下，测量材料中电极间电势差，进而计算出铁电极化强度的大小。
铁电与反铁电的比较
集成铁电体的研究
1. 铁电薄膜与半导体的集成称为集成铁电体，近年来广泛开 展了此类材料的研究。铁电存贮器的基本形式是铁电随机 存取存贮器。早期以为主要研究对象，直至年实现了的商 业化。与五六十年代相比，当前的材料和技术解决了几个 重要问题。一是采用薄膜，极化反转电压易于降低，可以 和标准的硅或电路集成；二是在提高电滞回线矩形度的同 时，在电路设计上采取措施，防止误写误读；三是疲劳特 性大有改善，已制出反转次数达5*1012次仍不显示任何疲劳 的铁电薄膜。
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。
钛酸钡的晶体结构图和铁电相变图
典型的反铁电材料
1. NH4H2PO4型（包括NH4H2AsO4及氘代盐等 ）； 2. （NH4）2SO4型（包括NH4HSO4 及NH4LiSO4等 ）； 3. （NH4）2H3IO6型（包括Ag2H3IO6 等）； 4. 钙钛矿型（包括NaNbO3、PbZrO3、PbHfO3、Pb
铁电材料的制备与性能研究
铁电材料的制备与性能研究铁电材料是指在外电场作用下，能够产生电偏极矩而发生电极化的材料。
它们具有许多独特的物理和化学性质，因此被广泛地应用于电子、信息科学等领域。
铁电材料的制备与性能研究一直是热门的研究方向之一，本文就此进行探讨。
制备方法铁电材料的制备方法是多种多样的，常见的方法包括热压、液相法、气相法、溶胶-凝胶法、水热法等。
这里我们简要介绍其中几种方法。
热压法：热压法是将粉末填充进高温高压设备中，在一定的温度和压力下进行热压，使粉末结晶并形成石墨烯。
这种方法具有操作简单、成本低等优点，但是精度较低，需要进行后续的热处理。
液相法：液相法是通过溶液中的化学反应，制备出所需的铁电材料。
常见的液相法包括水热法和溶液法。
水热法的原理是将需要制备的化合物放入反应釜中，加入一定量的溶液，并加热到高温高压状态下进行反应。
溶液法则是将化合物溶解在水或有机溶剂中，迅速混合并经过去离子水/溶剂后，利用特定条件形成纳米颗粒或薄膜。
气相法：气相法主要有化学气相沉积法（CVD）和物理气相沉积法（PVD）。
CVD主要是利用化学反应在升高温度的环境下，在载气中加入金属或前体有机物，再让其在沉积器内形成膜。
PVD则是将待沉积材料制成靶，并在真空环境下通过离子轰击等方式，让材料以原子或微粒子的形式由靶材上沉积到基底上。
性能研究铁电材料具有良好的铁电性能，且具有压电、热电、光电等多种性质，可应用于材料、传感、储存、显示等多个领域。
因此，对铁电材料的性能研究也是重要的。
铁电性能：铁电性能指材料在外加电场下产生极化，当外力消失时，该材料仍能够维持所产生的极化状态。
通过电滞回线图，可以了解铁电相的情况，并对铁电材料做出鉴别。
压电性能：压电效应是指材料在外压力下产生电荷。
铁电材料具有压电性能，可以应用于超声波、传感等领域。
通过测试材料产生的电荷与加在材料上的外力值，可以评估材料的压电性能。
热电性能：热电效应是指材料在温度梯度下产生电荷。
铁电材料
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自发极化
❖ 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。
1、 电畴 ferroelectric domain
铁电体内自发极化相同的小区域称为电畴，～10μm；
电畴与电畴之间的交界称为畴壁
两种：90 畴壁和180 畴壁
电滞回线 hysteresis loop
铁电体的定义
❖ 铁电体的定义：指在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。
❖ 铁电体具有很多电畴且具有电滞回线。因此， 凡具有电畴和电滞回线的介电材料就称为铁 电体。
❖ 铁电体的晶体并不含有铁，铁电体常被称为 息格毁特晶体。
铁电体的主要特征值
1. 自发极化 2. 电 畴 3. 电滞回线 4. 居里温度 5. 介电反常
❖ 居里温度Tc是铁电相与顺电相的相转变温度， 当T>Tc时，铁电现象消失，处于顺电相。当 T<Tc时，铁电体处于铁电相，当T=Tc时发生 相变。铁电相是极化有序状态，顺电相则是极 化无序状态。而Tc称为居里点。
介电反常
❖ 在弱电场作用下铁电体的介电性能 可用各向异性介电常数ε来描述。ε可 分为两个部分：其中一部分由各个畴 的介电性能提供，这部分直到远红外 频率都不依赖于外电场的强度和频率 。另一部分与外电场作用下电畴结构 的变化有关，它强烈地依赖于电场强 度、频率和晶体的温度，而且与加外 电场时电畴的原始结构有关。对于单 轴铁电单晶体例如RS和KH2PO4， 在垂直于铁电轴方向的介电常数ε随温 度的变化并不十分显著；平行于铁电 轴方向的介电常数ε则随温度变化很大 ，在居里点附近其相对值可迅速增大 至104～105数量级；这种现象称为" 介电反常"。
铁电材料的制备及其性能研究
铁电材料的制备及其性能研究铁电材料是目前普遍研究的一种特殊材料。
与许多传统材料不同的是，它具有良好的铁电性能，可以在电场的作用下，实现电介质和电极之间的电荷分离，从而达到电荷存储、传输和可逆变形等多种功能。
因此，铁电材料具有广泛的应用前景。
为此，本文将探讨铁电材料的制备及其性能研究。
一、铁电材料制备目前，铁电材料的制备方法非常多，例如溶胶凝胶法、水热法、高温固相反应法、溶剂热法等。
其中，水热法是一种非常常用的方法，它采用水为反应介质，利用水的高压和高温条件，可以通过化学反应在水中合成出各种铁电材料，包括PbZrO3、PbTiO3、BaTiO3、BiFeO3等。
同时，还可以通过溶胶凝胶法制备铁电薄膜和单晶，这些方法的特点是具有高度的可控性和均匀性。
二、铁电材料性能研究铁电材料的性能研究是其应用的重要基础。
铁电材料的主要性能有铁电性、压电性、储能性以及非线性光学性等。
其中，铁电性是铁电材料最为重要的性能之一，也是其重要的应用特性。
铁电性是指材料在外加电场的作用下，能够产生电偶极矩，使材料的电荷分离。
铁电材料具有电荷存储和传输的性能，在磁盘等储存器件中有着广泛的应用，同时还可用于微机械、传感器等领域。
此外，铁电材料的压电性能也是其重要的性能之一。
压电效应是指材料在外加压力的作用下，能够产生电荷堆积，从而形成电荷分离，并使电荷在电极之间传输。
这种特殊的压电效应使得铁电材料在声学、水声等领域有着广泛的应用。
铁电材料的储能性也是一个值得关注的性能。
铁电材料在外加电场下可以实现自发极化，并在自发极化状态下存储更多的电荷，实现电荷的储存和传输，这种特性被广泛应用于超级电容器、储能器等领域。
非线性光学性是铁电材料最新的研究领域之一。
铁电材料呈现出非线性的电光和光学效应。
通过控制铁电材料的厚度、表面形貌等，可以实现其非线性光学性的调控，从而实现各种基于光电的电子设备。
总结铁电材料具有广泛的应用前景，但同时也存在许多的挑战。
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。
铁电材料的工艺制备与电学性能分析
铁电材料的工艺制备与电学性能分析随着科学技术的不断进步，铁电材料作为一种重要的功能材料，受到了广泛的关注和研究。
铁电材料具有优异的电学性能，可在电场的作用下产生自发极化，同时还具有较高的介电常数和压电效应，因此在电子器件、传感器、存储器等领域具有广泛的应用潜力。
铁电材料的工艺制备是实现其应用的基础。
目前，常见的铁电材料有铁电钛酸盐、铁电酸化物和铁电氧化物等。
其中，铁电钛酸盐是最广泛应用的一类铁电材料。
其制备方法主要包括溶胶-凝胶法、固相反应法、水热法等。
溶胶-凝胶法是一种常用的铁电钛酸盐制备方法。
该方法首先将金属离子溶解在适当的有机溶剂中，形成金属溶胶。
随后，通过加入适量的化学试剂，调节溶液的pH值和温度，使金属离子聚集在一起，形成胶体颗粒。
最后，将胶体颗粒进行热处理，使其转化为致密的铁电钛酸盐晶体。
这种方法具有制备工艺简单、成本低、控制性能好等优点。
固相反应法是一种较为常用的铁电材料制备方法。
该方法适用于制备铁电氧化物和铁电酸化物等材料。
通常，将适当量的金属氧化物或金属碳酸盐粉末混合均匀，通过高温反应，在一定的气氛下，使金属粉末发生化学反应，生成铁电材料。
该方法的优点是制备过程简便，适用范围广，但仍存在一定的制备难度和技术挑战。
水热法是一种将金属离子或金属化合物溶于水溶液中，在高温高压反应条件下制备铁电材料的方法。
这种方法通常在高温高压的反应釜中进行，通过控制反应温度、压力和反应时间等参数，使金属离子在溶液中形成纳米晶体，最终得到铁电材料。
水热法具有制备过程简单、反应条件温和等优点，可制备出颗粒细小、形状可控的铁电材料。
除了工艺制备，电学性能分析也是对铁电材料进行研究和应用的重要一环。
电学性能分析通常包括介电常数、介电损耗、压电应变等参数的测试和分析。
这些参数能够反映铁电材料在外场作用下的响应能力、信号传递能力等关键性能。
通过电学性能分析，可以评估铁电材料的使用性能、优化材料配方，进而引导相关应用的研发。
铁电材料分类
铁电材料分类
铁电材料是一类特殊的材料，具有独特的电学性质。
它们在应用领域中具有广泛的用途，如存储器、传感器、电容器等。
根据其结构和性质，铁电材料可以分为多种类型。
第一种类型是单晶铁电材料。
这种材料具有高度的晶体结构完整性和均匀性，因此具有优异的电学性能。
单晶铁电材料的制备需要高温高压条件，因此成本较高。
但是，它们在高频电子器件和光电器件中具有广泛的应用。
第二种类型是多晶铁电材料。
这种材料由许多小晶粒组成，因此具有较低的制备成本。
多晶铁电材料的电学性能与单晶材料相比略有下降，但仍然具有良好的铁电性能。
多晶铁电材料广泛应用于电容器、传感器和存储器等领域。
第三种类型是薄膜铁电材料。
这种材料具有极薄的厚度，通常在几纳米到几微米之间。
薄膜铁电材料的制备需要特殊的制备技术，如分子束外延、化学气相沉积等。
薄膜铁电材料具有优异的电学性能和机械性能，因此在微电子器件和纳米器件中具有广泛的应用。
第四种类型是有机铁电材料。
这种材料由有机分子构成，具有良好的可塑性和可加工性。
有机铁电材料的制备成本较低，因此在柔性电子器件和生物传感器等领域中具有广泛的应用。
铁电材料具有多种类型，每种类型都具有独特的结构和性质。
这些
材料在电子器件、传感器和存储器等领域中具有广泛的应用前景。
随着科技的不断发展，铁电材料的制备技术和应用领域将会不断拓展。
铁电体材料理论及性综述
Pb(Zn1/3Nb2/3)O3，Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 Pb(Ni1/3Nb2/3)O3， Pb(Mg1/3Ta2/3)O3
Pb(Mg1/2W1/2)O3，Pb(Co1/2W1/2)O3
Pb(B+31/2B+51/2)O3型
Pb(Fe1/2Nb1/2)O3，Pb(Fe1/2Ta1/2)O3
4. 铁电材料的钙钛矿结构
b 复合钙钛矿结构化合物
（A1 x1 A2x2）（B1y1B2y2）O3型
A1A2占据A位，满足条件： 其中：x1，x2分别为A1离子和A2离子化学计量比:x1+x2=1
A位化合价= A1·x1+A2 ·x2=+2价
4. 铁电材料的钙钛矿结构
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。
4. 铁电材料的钙钛矿结构
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
B1B2占据B位，满足条件： y1，y2分别为B1离子和B2离子化学计量比:y1+y2=1
B位化合价= B1·y1+B2 ·y2=+4价
B1离子：低价阳离子，如Mg2+，Zn2+，Ni2+，Fe3+等 B2离子：高价阳离子，如Ti4+，Nb5+，Ta5+，W6+ 等
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。
铁电体纳米材料的制备和表征
铁电体纳米材料的制备和表征随着纳米科技的不断发展，纳米材料已经成为了新材料领域的热点研究方向。
铁电体纳米材料由于其优异的物理和化学性质而备受关注。
本文将从铁电体纳米材料的制备和表征两方面展开讨论。
一、铁电体纳米材料的制备铁电体纳米材料的制备一般采用物理法、化学法和生物法等不同方法。
其中，物理法主要包括物理气相沉积、溅射、磁控溅射等技术。
化学法则主要包括合成法、溶胶-凝胶法、水热法、水热合成法等技术。
生物法主要是利用生物体内的特殊酶、蛋白质等分子构筑纳米结构。
1. 物理法物理气相沉积是一种广泛应用的物理法。
通过控制反应温度、气体压力等条件，将金属或氧化物等材料蒸发或削片，使得气体相中的这些原子和分子聚集在靶材表面，从而形成薄膜。
物理气相沉积可以制备铁电体纳米材料的超薄膜，如铁氧化物、氮化铁、锰酸铅等。
另外，溅射和磁控溅射技术也是物理法中常用的方法，这两种技术可以制备出尺寸较小的铁电体纳米材料。
2. 化学法在化学法中，溶胶-凝胶法和水热法最为常用。
溶胶-凝胶法是利用溶胶状态的物质通过加热或减压形成胶体状态，然后通过热处理，形成固体。
水热法则是利用水热反应的原理，在适当的温度和压力下，将溶液中的成分通过反应转化为纳米粒子。
这两种方法的优点是简单易行、成本低。
3. 生物法在生物法中，利用微生物等生物体制备纳米材料成为一种新型技术。
尤其是利用微生物合成纳米金属颗粒或者利用核酸、多肽等对纳米材料进行表面修饰，可以制备出高度单分散的纳米材料，具有较高的热稳定性和防腐蚀性。
二、铁电体纳米材料的表征铁电体纳米材料的表征是制备过程的重要环节。
表征需要采用多种技术手段，比如电学测试、微观测试等。
下面将着重介绍两种常用的表征技术：X射线衍射和透射电子显微镜。
1. X射线衍射X射线衍射是一种用于研究固体结构的技术。
由于不同原子的电子云对x射线有不同的散射效应，因此，如果用x射线作为入射光线，那么产生的散射光将分为很多不同的方向。
铁电体 原理
铁电体原理
铁电体是一种具有特殊性质的晶体材料，其特点主要体现在其晶体结构和电性行为上。
铁电体的晶体结构由正负离子组成，其中正离子通常是金属离子，负离子则是非金属离子。
这些离子在晶体中排列成周期性的规则结构，使得晶体具有高度有序的排列方式。
铁电体的特殊之处在于，在一些特定的温度下，其晶体结构会发生变化，由对称的晶体相变为非对称的晶体相。
这种相变被称为铁电相变。
在铁电相变之后，晶体会展现出一种非常特殊的电性行为，称为铁电性。
铁电性是指铁电体在外加电场的作用下，会发生极化现象。
极化是指晶体中正、负电荷的分布发生改变，形成电偶极子。
当外加电场消失时，电偶极子仍然保持一定的极化方向，直到受到相反方向的电场作用才能使其改变。
这种可逆的电性行为是铁电体与其他晶体材料最大的区别之一。
铁电体的铁电性使其具有广泛的应用价值。
例如，在电子器件中，铁电体可以用于制作记忆元件，利用其可以储存电荷的特性，实现信息的存储和读取。
此外，铁电体还可用于制作传感器，利用其电性和外界环境的关联性，实现对压力、温度等物理量的检测和测量。
铁电体也可用于电池等能源转换装置中，进一步提高能源的存储和输出效率。
总而言之，铁电体是一种特殊的晶体材料，具有非对称的晶体结构和可逆的极化特性。
这种特殊性质为铁电体在信息存储、传感器和能源转换等领域中的应用提供了广阔的空间。
铁电物理学
铁电存储器的电路结构
2T-2C结构 由两个场效应管两个电容构 成一存储器记忆单元 通过比较两边的输出而得出 存储的信息
FeRAM器件结构
铁电动态随机存取存储
铁电薄膜作为一大介电常数的电容介质 利用铁电体大的介电常数(ε=100-2000)，代替原来用
的SiO2(ε=3.9），可以减小存储单元面积。
• （5）“维度模型”分类法
铁电材料的制备方法
• 1 固相反应法 • 2 溶胶一 凝胶法 • 3 熔盐法 • 4 喷雾分解法 • 5 柠檬酸前驱法 • 6 水热法 • 7 无卤素法 • 8 低温液相法 • 9……
理想的铁电材料需要满足如下特点：
• ● 介电常数小； • ● 合理的自极化程度（~5 μC/cm2） ； • ● 高的居里温度（在器件的存储和工作温度范围之外） ； • ● 铁电材料厚度要薄（亚微米）以使矫顽场Ec较小； • ● 能够承受一定的击穿场强； • ● 内在开关速度要快（纳秒级别） ； • ● 数据的保持能力和持久能力要好； • ● 如果是军方使用的话，还要求能够抗辐照； • ● 化学稳定性要好； • ● 加工均匀性好； • ● 易于集成到CMOS 工艺中去； • ● 对周围电路无不良影响； • ● 污染小等
电阻率转变
热敏电阻
光折变效应 全息存储
光调制器
非挥发性铁电随机存储器
• 即使在电源中断的情况，存储的信息也不会丢失 • 铁电体不仅作为电容而且是存储器的一部分
• 低电压运作（1.0-5.0V), 低功耗 • 小尺寸， 仅为EEPROM单元 的20% • 抗辐射。（军用，卫星通讯） • 高速：200ns 读取时间 • 易与其它Si器件集成
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双氧化物晶体（ABO3）：称为硬铁电体．
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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)
钨青铜型结构
化学式为：(A1)4(A2)2B10O30和 (A1)(A2)2(A3)4B10O30。式中A1为 钙、锶、钡和铅等；A2为锂、钠和 钾等；A3为锂和镁等；B=铌、钽和 钛等。也可简写成A×Bl0O30 钨青铜结构有四方晶系和斜方晶 系两种，前者单元原胞都含有10个 [BO6]氧八面体，它们沿C轴方向共 角相连。另一类为斜方晶系的钨青铜 型结构可视为沿四方单胞的对角线进 一步畸变而造成。如Ba2NaNb5O15 为斜方钨青铜型结构。 钨青铜型结构的化合物中许多具 有特殊的电性能，是重要的电子陶瓷 材料 右图为结构图
铁电体材料的制备技术
钙钛矿晶体材料的制备
一种氧化钛和氧化钡和／或氧化锶的无定型粉末通过在氧化钡、氢 氧化钡或醇钡或者氧化锶、氢氧化锶或醇锶以及含有６个碳原子以上的 酸性有机化合物存在下水解醇钛被沉淀，将无定形粉末进行加热，同时 用含有水蒸汽、氨气或CO2的气流处理以使钛酸钡或钛酸锶发生结晶， 并蒸除酸性有机化合物。钛酸钡和／或钛酸锶晶体的粒度小于１微米， 它们具有不规则的多角形形态。
铁电体的分类及制备技术
铁电体材料的分类 铁电体材料的制备技术
铁电体材料的分类
钙钛矿型结构 钨青铜型结构 铌酸锂型结构 烧绿石型结构 含铋层状结构
钙钛矿型结构
钙钛矿型结构是指与钛酸钙类似 的结构，许多有重要应用价值的 晶体，如： BaTIO3,LINbo3,PbZro3等的结 构都是钙钛矿型的，这类化合物 的化学通式为ABO3,A和B为金属 离子。 下面以CaTiO3为例,说明钙钛矿 型的晶体结构，见右图： 在一个晶胞中，Ca离子位于立方 体的顶角上，Ti离子位于体心， O离子位于面心上。
铌酸锂型结构
为ABO3型晶体结构的一种类型。 三方晶系。其中原子堆积为 ABAB堆积，并形成稍略变的氧八面 体空隙。它有1/3被A离子占有居， 1/3被B离子占据，余下1/3则为空位。 此类结构的主要特点是：阳离子 A和B离子相近，且比氧离子半径小 得多。 如铌酸锂 构，具 压电性，是重要的声表面波材料，在 现代通信中有重要作用。