《介电和铁电材料》PPT课件
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铁电体的第一性原理研究进展PPT课件
计算软件简介
针对第一性原理计算编写的程序包很多。在铁电体及有关功能材料的研究中，常用的主要 有以下几种： 1．针对FLAPAW方法编写的各种计算程序中，由维也纳工业大学量子理论计算研究小组开 发的基于Linux操作系统的WIEN系列程序最为著名。此程序的主要优点是： (1)它是基于 Linux平台的软件，我们都知道Linux的高稳定性是众所周知的，在科研领域的许多软件都 是基于Unix或Linux平台。(2)它采用图形化友好界面，可以大大简化操作者的工作量，并降 低了难度。 (3)它是采用FORTRAN语言编写的。
4.集成铁电体的研究(铁电薄膜与半导体集成)：
由于铁电存储器的诸多优点,近几年来人们对铁电薄膜与半导体集成投入了大量的研究。 铁电薄膜的极化具备两个不同的稳定状态(剩余极化强度士Pr),可分别作为信息存储的“0‘’ 和,‘l”代码。早在50年代人们就开始作了这方面的研究。当时存在的问题主要为:块材要求 电压很高,不能满足应用的要求;电滞回线的矩形度差,易发生读写错误;疲劳特性很差。80年 代以来,由于铁电薄膜制备技术的改进,新的铁电材料及电极材料的出现,铁电存储器又重新 活跃起来。
近年新进展
3.铁电液晶、铁电聚合物的基础研究和应用研究：
铁电液晶方面,Meyer在1975年首次发现由手性分子组成的倾斜层状C相液晶具有铁电性。 研究发现铁电液晶在非线性光学和电光显示方面很有价值,其二次谐波发生效率不低于常 用的无机非线性光学晶体,而其电光显示基于极化翻转,响应速度比普通丝状相液晶快几个 数量级。70年代末人们还发现了铁电聚合物,如奇数尼龙。聚合物的组分繁多,结构多样,铁 电聚合物的发现扩展了铁电体学的研究领域。
铁电功能材料PPT课件
第五章 铁电功能材料
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，另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。
1.2、晶 体 结 构
1. 铁电材料的钙钛矿结构
ZnTiO3 ， BaZrO3 ， PbZrO3 等
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
第五章 铁电功能材料
• 电介质的极化有3种主要基本过程，即 材料中原子核外电子云畸变产生的电子极 化；分子中正、负离子相对位移造成的离 子极化和分子固有电矩在外电场作用下转 动导致的转向极化。
第五章 铁电功能材料
介质的极化特性与其晶体结构有着深刻的内在 联系。
按照其对称性，晶体可分为7大晶系，32种点 群，见书中表4-1。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。
铁电材料介绍课件
PCMP
电滞回线Sawyer-Tower测量电路
PCMP
3.4 居里温度 （Tc）
定义：当晶体从高温降温经过Tc时，要经过一个 Tc 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 Tc 低于Tc时，晶体呈现出铁电性（？）。通常认为 Tc 晶体的铁电结构是由其顺电结构经过微小畸变而 得，所以铁电相的晶格对称性总是低于顺电相的 对称性。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。 PCMP
变化过程：
A→B→C→B→D→F →G→B
D
Ps：饱和极化强度 Pr：剩余极化强度 Ec：矫顽场
B C A F E PCMP G
电滞回线与铁电畴关系
自发极化Ps 剩余极化Pr 矫顽电场Ec
PCMP
顺电
铁电
反铁电
PCMP
电滞回线相关内容小结
1. 电滞回线表明，铁电体的极化强度与外电场之间 呈现非线性关系，而且极化强度随外电场反向而 反向。 2. 极化强度反向是铁电畴反转的结果，所以电滞回 线表明铁电体中存在铁电畴。 3. 所谓铁电畴就是铁电体中自发极化方向一致的小 区域，铁电畴与铁电畴之间的边界称为畴壁。 4. 铁电晶体通常多电畴体，每个电畴中的自发极化 具有相同的方向，不同铁电畴中自发极化的取向 间与晶体结构存在着简单的关系。
电滞回线Sawyer-Tower测量电路
PCMP
3.4 居里温度 （Tc）
定义：当晶体从高温降温经过Tc时，要经过一个 Tc 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 Tc 低于Tc时，晶体呈现出铁电性（？）。通常认为 Tc 晶体的铁电结构是由其顺电结构经过微小畸变而 得，所以铁电相的晶格对称性总是低于顺电相的 对称性。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。 PCMP
变化过程：
A→B→C→B→D→F →G→B
D
Ps：饱和极化强度 Pr：剩余极化强度 Ec：矫顽场
B C A F E PCMP G
电滞回线与铁电畴关系
自发极化Ps 剩余极化Pr 矫顽电场Ec
PCMP
顺电
铁电
反铁电
PCMP
电滞回线相关内容小结
1. 电滞回线表明，铁电体的极化强度与外电场之间 呈现非线性关系，而且极化强度随外电场反向而 反向。 2. 极化强度反向是铁电畴反转的结果，所以电滞回 线表明铁电体中存在铁电畴。 3. 所谓铁电畴就是铁电体中自发极化方向一致的小 区域，铁电畴与铁电畴之间的边界称为畴壁。 4. 铁电晶体通常多电畴体，每个电畴中的自发极化 具有相同的方向，不同铁电畴中自发极化的取向 间与晶体结构存在着简单的关系。
材料的介电性能PPT课件
P
aE
exp
bI 2 E
15
以碰撞电离后自由电子数倍增到一定值作为电 击穿判据。
通过估算：由阴极出发的初始电子，在其 向阳极运动的过程中，1cm内的电离次数 达到40次，介质便击穿。 “四十代理论”： 当介质很薄时，碰撞电离不足以发展到40代，电子雪 崩系列已进入阳极复合，此时介质不能击穿。因此便 定性解释了薄层介质具有较高击穿电场的原因。
13
本征击穿机制模型
单电子近似模型
A e2E2 / m*
仅适用于材料本征击穿低温区
集合电子近似模型
u ln E c0 2kT0
14
2.雪崩式电击穿机制
把本征电击穿机制和热击穿机制结合起来
电荷是逐渐或者相继积聚，而不是电导率 的突然改变，尽管电荷集聚在很短时间内 发生
最初机制是场发射或离子碰撞
18
击穿的随机性
传统的击穿模型属于纯确定论，是建立在超过某一 临界电场时，因一连串因果效应使系统不再能维持 能量平衡从而发生击穿的基础之上的。
由于高聚物的能带理论、电荷注入、电子激发及输 运过程的深入研究与发展，以及非线性科学中分形 及混沌的广泛应用，促使电击穿从确定论迈向破坏 过程的随机论的根本性变化。
第6章 材料的介电性能
2009.05
1
《介电材料》PPT课件
8
滑石瓷
§ 1-2-1 滑石瓷 1、滑石的结构
共价键\离子键 复合层
滑石瓷分子式：
3MgO·4SiO2·H2O 滑石矿为层状结构的镁硅酸盐， 属单斜晶系，[SiO4]四面体联结 成连续的六方平面网，活性氧离 子朝向一边，每两个六方网状层 的活性氧离子彼此相对，通过一 层水镁氧层联结成复合层。
编辑ppt
编辑ppt
10
§ 1-2 典型低介装置瓷
偏硅酸镁 M• g SO i2 O M (Sgi3)2 O
呈单链状辉石结构，它有三种晶型：
Mg•OSiO 2 1 20 C 0Mg•OSiO 2 70 0CMg•OSiO 2
顽辉石
原顽辉石
斜顽辉石
高 温 稳 定 相 （ ） 缓 原 变 顽 （ 室辉 低 温 ） 石 温 稳 定 相 （ ） 斜 方 （ 正 同 质 交 异） 单 构 斜
分子键
9
2、滑石的相变 120~200℃，脱去吸附水 1000℃，脱去结构水，转变为偏硅酸镁
3 M • 4 S 2 g • H i 2 O O 3 ( M • S 2 ) g i S 2 O O H i 2 O O
1557℃，再次失去Si，生成镁橄榄石 2 ( M • S g 2 ) i O O 2 M • S g 2 iO S O 2 iO
原顽辉石是滑石瓷的主晶相，有少量斜顽辉石
铁电材料概述ppt课件
4
关于铁电的发展历史， 大体可以分为以下四个 阶段
罗息盐时期—发现铁电性 KDP时期—铁电热力学理论 钙钛矿时期—铁电软模理论 铁电薄膜及器件时期—小型化（铁电液晶、聚合物复合材
料、薄膜材料和异质结构等非均匀系统 ）
5
（1）罗息盐
罗息盐即酒石酸钾钠( NaKC4H406·4H20)是上千 种铁电体中最早被发现的晶体之一．它存在上、 下两个居里点，297K和255K。在这两个温度之 间，它处于铁电相。大于297K或小于255K时处 于顺电相。六方结构。
7
（3）钙钛矿型材料—ABO3
钛酸钡（BaTiO3）钛酸钡陶瓷是目前应用最广泛
和研究较透彻的一种铁电材料。钛酸钡是第一个不含 氢的氧化物铁电体，由于其性能优良，化学上，热学 上的稳定性好，工艺简便，很快被用作介电和压电元 件。
钙钛矿结构：有BaTiO3 ( 钛酸钡) 、 KNbO3 、KTaO3 、LiNbO3 PZT(Pb(Zr Ti )03) 、 PLZT(铅、镧、锆、钛)， 至 20 世纪 50 年代末， 大约有 100 种化合物被 发现具有铁电性。截至1990 年，已知的铁电体约为 250 种.通式
压电效应：正压电效应和逆压电效应。具有压电效应的材料称 为压电材料。
铁电材料：在具有压电效应的材料中 ,具有自发极化 ,(自发极
化包括二部分：一部分来源于离子直接位移；另一部分是由于电子云的 形变)
关于铁电的发展历史， 大体可以分为以下四个 阶段
罗息盐时期—发现铁电性 KDP时期—铁电热力学理论 钙钛矿时期—铁电软模理论 铁电薄膜及器件时期—小型化（铁电液晶、聚合物复合材
料、薄膜材料和异质结构等非均匀系统 ）
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（1）罗息盐
罗息盐即酒石酸钾钠( NaKC4H406·4H20)是上千 种铁电体中最早被发现的晶体之一．它存在上、 下两个居里点，297K和255K。在这两个温度之 间，它处于铁电相。大于297K或小于255K时处 于顺电相。六方结构。
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（3）钙钛矿型材料—ABO3
钛酸钡（BaTiO3）钛酸钡陶瓷是目前应用最广泛
和研究较透彻的一种铁电材料。钛酸钡是第一个不含 氢的氧化物铁电体，由于其性能优良，化学上，热学 上的稳定性好，工艺简便，很快被用作介电和压电元 件。
钙钛矿结构：有BaTiO3 ( 钛酸钡) 、 KNbO3 、KTaO3 、LiNbO3 PZT(Pb(Zr Ti )03) 、 PLZT(铅、镧、锆、钛)， 至 20 世纪 50 年代末， 大约有 100 种化合物被 发现具有铁电性。截至1990 年，已知的铁电体约为 250 种.通式
压电效应：正压电效应和逆压电效应。具有压电效应的材料称 为压电材料。
铁电材料：在具有压电效应的材料中 ,具有自发极化 ,(自发极
化包括二部分：一部分来源于离子直接位移；另一部分是由于电子云的 形变)
PPT+8+无机材料的介电性质+2011
硫化镉、氧化锌、氮化铝
六、压 电
6.2 压电材料及其应用
性
六、压 电
6.2 压电材料及其应用
性
六、压 电
6.3 压电效应的方程式
性
A、正压电效应的电位移 与施加的应力 有如下关 、正压电效应的电位移D与施加的应力 的电位移 与施加的应力T有如下关 D=dT 系：
式中，D的单位为C/m2; T为N/m2；d为压电常数（C/N）
先考虑E 先考虑 3 的效应 E3 效应导致在3个方向上产生正应变 S1、S2、S3，而不产生切应变。所以 有
3 E3
S1=d31E3 S2=d32E3 S3=d33E3
P
E2 2
[1]
1
E1
上式中的压电常数的第一个下标为电的分量，第二个下标为形 变的分量。 这里，1轴和2轴是等效的，所以有 S1=S2; d31=d32。
六、压 电
性
6.3.2 压电效应的方程式 逆压电效应 压电效应的方程式-逆压电效应
对于逆压电效应情况，假设 极化方向仍为轴3方向。 若仅施加电场E (应力T为恒 定值)，E的分量分别为E1、 E2、E3（如图）
3
E3
P E1 1
E2 2
六、压 电
性
6.3.2 压电效应的方程式 逆压电效应 压电效应的方程式-逆压电效应
L1
C1
六、压 电
6.2 压电材料及其应用
性
六、压 电
6.2 压电材料及其应用
性
六、压 电
6.3 压电效应的方程式
性
A、正压电效应的电位移 与施加的应力 有如下关 、正压电效应的电位移D与施加的应力 的电位移 与施加的应力T有如下关 D=dT 系：
式中，D的单位为C/m2; T为N/m2；d为压电常数（C/N）
先考虑E 先考虑 3 的效应 E3 效应导致在3个方向上产生正应变 S1、S2、S3，而不产生切应变。所以 有
3 E3
S1=d31E3 S2=d32E3 S3=d33E3
P
E2 2
[1]
1
E1
上式中的压电常数的第一个下标为电的分量，第二个下标为形 变的分量。 这里，1轴和2轴是等效的，所以有 S1=S2; d31=d32。
六、压 电
性
6.3.2 压电效应的方程式 逆压电效应 压电效应的方程式-逆压电效应
对于逆压电效应情况，假设 极化方向仍为轴3方向。 若仅施加电场E (应力T为恒 定值)，E的分量分别为E1、 E2、E3（如图）
3
E3
P E1 1
E2 2
六、压 电
性
6.3.2 压电效应的方程式 逆压电效应 压电效应的方程式-逆压电效应
L1
C1
《介电和铁电材料》课件
介电材料的发展趋势
高性能化
随着科技的发展，对介电材料的性能要求越来越高，如高介电常 数、低介电损耗等。
环保化
随着环保意识的提高，对介电材料的环保性能要求也越来越高， 如无铅、无卤素等。
多功能化
介电材料的应用领域不断扩大，需要具备多种功能，如压电、热 电、光电等。
铁电材料的发展趋势
微型化
随着微电子技术的发展，对铁电材料的小型化和集成 化要求越来越高。
稳定性
介电材料具有优良的稳定性，不易受环境温度和 湿度的影响。
介电常数可调
通过改变介电材料的组分和结构，可以调节介电 常数，以满足不同应用需求。
02
铁电材料介绍
铁电材料的定义
铁电材料
指在一定温度范围内具有自发极化、 且自发极化方向随温度变化的一类功 能材料。
自发极化
铁电材料内部存在的电偶极矩，不需 外电场作用就能产生自发极化。
产生电荷，这种现象称为压电效应。
热释电效应
03
当铁电材料受到温度变化时，其内部自发极化状态发生变化，
从而产生电荷，这种现象称为热释电效应。
03
介电和铁电材料的比较
介电和铁电材料的共性
响应电场
介电和铁电材料都能响应外部电 场，表现出一定的极化行为。
存在自发极化
介电和铁电材料都存在自发极化 ，即在没有外部电场的情况下， 材料内部的正负电荷中心发生相 对位移，形成一定的电偶极矩。
电介质材料(压电和铁电材料)
小资料：最新的无铅压电材料 任晓兵博士在其论文中提出一种不同于上述机制的全 新原理，该原理利用铁电体在90度畴翻转时产生巨大变形 这一特性，并利用时效点缺陷的对称性性质而产生可回复 的应变(该性质亦为任晓兵博士所发现，X. Ren and K.， Otsuka, 《Nature》, 1997)。任晓兵博士认为，存在点缺陷 的情况下，电畴在电场作用下发生翻转，当电场解除时， 在点缺陷的影响下，畴将回到原来的取向。在200V/mm的 电压下可产生0.75%的巨大可逆变形，是相同电压下PZT形 变量的37.5倍。 值得注意的是，产生这一巨大电致应变的材料为钛酸 钡基材料，这为开发对环境无害的高性能电致应变材料提 供了重要新途径。此项成果发表后，立即引起国际学术界 和工业界的强烈反响。
热释电材料
热释电效应：热释电晶体是压电晶体中的一种，具有非中
心对称的晶体结构。自然状态下，在某个方向上正负电荷中 心不重合，从而晶体表面存在着一定量的极化电荷，称为自 发极化。晶体温度变化时，可引起晶体的正负电荷中心发生 位移，因此表面上的极化电荷即随之变化。温度恒定时，因 晶体表面吸附有来自于周围空气中的异性电荷，而观察不到 它的自发极化现象。当温度变化时，晶体表面的极化电荷则 随之变化，而它周围的吸附电荷因跟不上它的变化，失去电 的平衡，这时即显现出晶体的自发极化现象。这一过程的平 均作用时间为τ＝ε/σ，式中，ε为晶体的介电系数，σ为晶体的 电导率。
相关主题
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特点：自发极化不能为外电场转向 铁电晶体：LiNbO3, LiTaO3, PhTiO3, Pb(ZnTi)O3, BaTiO3等
特点：自发极化能为外电场转向
2、 有机高聚物晶体 例：聚偏二氟乙烯PVDF，大面积制作，工艺简单，一般用薄膜
四、热释电材料的应用
1938年首先用于红外探测器
ppt课件
030923 8
ppt课件
T0
10
第八节 热电材料-2
基本规律：
均质导体定律：要确定热电势的大小必须保证A、B两种材料的化学成 分和物理状态完全均匀，否则将要难以获得确定的热电势
中间导体定律：如果在回路中引入第三种金属导体，那么只要第三种 金属接入的两端温度相同，则对原回路年产生的热电势不发生影响
中间温度定律：只要两种材料厂均质，两端温度恒定，即使回路中某 一部分处于任何其他温度，原回路产生的热电势不变
压电晶体受到外力作用后，在电极面上会感应出电荷，电荷聚集形
成高电。 利用高压可产生火花放电。这种电火花可用于点燃煤气、
炮弹，及用于压电高压发生器。
4、石英电子表
ppt课件
其他：拾音器、蜂鸣器、
流量计、计数器等
6
第七节 热释电材料-1
一、热释电效应 晶体因温度变化而引起晶体表 面电荷的现象称为热释电效应
ppt课件
钛酸钡 1700
21
PZT 1200
30
水晶 4.5 10
5
第六节 压电材料-5
五、压电材料的应用举例
1、水声换能器 水中声纳=空中雷达
实现水中电能与声能的相互转化
2、压电超声换能器
利用逆压电效应，在高强度电场下产生高强度超声波，用 于超声清洗、超声乳化、超声粉碎、超声治疗等
3、压电点火器
科研和工程中最重要的参数，有的材料可达70%以上
四、压电材料种类
晶 体 ： 石 英 、铌 酸 锂 (LiNbO3)、 材料 碘酸锂等
介电常数
半导体：CdS, CdSe, ZnO, ZnS, ZnTe, ZdTe, GaAs, GaSb等
机电耦合系 数/%
罗息盐 350 73
压电陶瓷：BaTiO3, PbTiO3
Pi为晶体的热释电系数。一般材料为10-4~10-6C/(cm2·K)
通过测量讯号电压的变化实现了对远距离热辐射目标温度变化的测量。
尽你所能p，pt想课件出或查出检测极化电荷分布的方式 9
第八节 热电材料-1
热电材料：把热能转变为电能的材料 一、热电效应
1、塞贝克（Seebeck）效应
两种不同的导体构成闭合回路，若使其 结点出现温度差，则闭合回路中就会有 电流流动，此现象为热电效应，相应的 电势称为热电势。
定量描述：
规定：冷端电流流出的材料的电势相对于流入的材料的电势为正。
即，若T1＜T2时，电流由a点流向b点，称A的电势φA大于B的电势φB。 设△VAB=φA-φB； △T=T2-T1，则实验证明，△T不太大时，有
△VAB 与∝△T
ppt课件
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第八节 热电材料-3
定义相对塞贝克系数SAB=SA-SB ： SABlTi m0VTab 则：△VAB=SAB·△T
称SA和SB分别为材料A和B的塞贝克系数
一些元素的热电势排序（前者热电势相对于后者为正）：
Si, Sb, Fe, Mo, Cd, W, Au, Ag, Zn, Rh, Ir, Tl, Cs, Ta, Sn, Pb, Mg, Al, Hg, Pt, Nd, Pd, K, Ni, Co, Bi
晶体中存在热释电效应的前提
具 有 自 发 极 化 ， 即 晶 体 结 构 的 某些方向正负电荷重心不重合。
不 存 在 对 称 中 心 ， 且 存 在 与 其 他极化轴不同的唯一极化轴
ppt课件石英晶体不产生热释电效应示意图 7
第七节 热释电材料-2
三、热释电材料
1、晶体 热释电晶体：CaS, CaSe, Li2SO4·H2O, ZnO
Qm
2
Wm Wm
Wm为每振动周期内单位体积存贮的机械能；△W为每振动周期内单位体 积损耗的机械能
Qm与振动模式有关，如压电振子的形状p、pt课振件动的晶体学方向、振动频率等
Baidu Nhomakorabea
4
第六节 压电材料-4
2、机电耦合系数 k机输 械入 能的 转机 变械 的 (正 能 电 压能 电)效应
或
k静转 电化 场的 下机 输械 入能 (的 逆电 压能 电)效应
第六节 压电材料-2
+
压电体必须是离子晶体或离子团组成的分子
ppt课件
3
第六节 压电材料-3
三、压电材料主要工程参数
1、机械品质因素
压电振子：具有一定取向和形状的压电晶片具有固有的机械谐振频率。 当外电场的频率与其一致时，由于逆压电效应会产生机械谐振。这种 晶片称压电振子。
压电振子在谐振子时，会产生内耗，造成机械能损失，反映这种机械能损 耗程度的参数为机械品质因数Qm，定义为：
第七节 热释电材料-3
红外探测器原理：
Q表示晶体表面的电荷面密 度，P为自发极化强度，T为 温度，则
dQ dP dt dt
设两极板面积为A，负载电 阻为R，则热释电电压为：
热释电红外探测器原理
V R R id (d A) tQ Ad dR P tAd dR d d T P T tAid d RT tP
第五节 介电和铁电材料-12
四、反铁电材料（反铁电体）
一般是离子晶体，电畴内存在两套极化强度相等、 方向相反的亚晶格，使得宏观不显自发极化
双电滞回线：
AB：反铁电体特征，类似于一般的线性介质 BC、CD：铁电体特征，出现固有电极化强度
五、介电铁电材料的应用
电容器，铁电材料可用于高容量电容器： 电子线路中用于阻断、耦合、交直流分离、 滤波和能量存贮等
二、热释电效应机制
电气石中发现：硫磺粉末（黄色）和 氧化铅粉末（红色）混合，用丝质筛 子筛洒加热后的电气石，它们将分别 覆盖于电气石沿三次轴方向的两端。
电气石是一种具有固有极化的晶体
温度引起的自发极化的改变。自发极化的改变来自于离子的位移
ps T 为热释；电 Ps为系 自数 发极 ；T为 化温 强度 度
ppt课件
1
第六节 压电材料-1
一、正压电效应和逆压电效应 正压电效应：材料受到应力作用而处于应变状态时，材料内部会引 起电极化和电场，表面出现感应电荷。 逆压电效应：材料受到电场力作用产生电极化时，材料会产生应变。
二、压电效应的机制 无对称中心的晶体中正负离子的位移引起压电效应
具有反演对称中心的晶体无压电效应 ppt课无件反演对称中心的石英晶体有压电效应 2
特点：自发极化能为外电场转向
2、 有机高聚物晶体 例：聚偏二氟乙烯PVDF，大面积制作，工艺简单，一般用薄膜
四、热释电材料的应用
1938年首先用于红外探测器
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第八节 热电材料-2
基本规律：
均质导体定律：要确定热电势的大小必须保证A、B两种材料的化学成 分和物理状态完全均匀，否则将要难以获得确定的热电势
中间导体定律：如果在回路中引入第三种金属导体，那么只要第三种 金属接入的两端温度相同，则对原回路年产生的热电势不发生影响
中间温度定律：只要两种材料厂均质，两端温度恒定，即使回路中某 一部分处于任何其他温度，原回路产生的热电势不变
压电晶体受到外力作用后，在电极面上会感应出电荷，电荷聚集形
成高电。 利用高压可产生火花放电。这种电火花可用于点燃煤气、
炮弹，及用于压电高压发生器。
4、石英电子表
ppt课件
其他：拾音器、蜂鸣器、
流量计、计数器等
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第七节 热释电材料-1
一、热释电效应 晶体因温度变化而引起晶体表 面电荷的现象称为热释电效应
ppt课件
钛酸钡 1700
21
PZT 1200
30
水晶 4.5 10
5
第六节 压电材料-5
五、压电材料的应用举例
1、水声换能器 水中声纳=空中雷达
实现水中电能与声能的相互转化
2、压电超声换能器
利用逆压电效应，在高强度电场下产生高强度超声波，用 于超声清洗、超声乳化、超声粉碎、超声治疗等
3、压电点火器
科研和工程中最重要的参数，有的材料可达70%以上
四、压电材料种类
晶 体 ： 石 英 、铌 酸 锂 (LiNbO3)、 材料 碘酸锂等
介电常数
半导体：CdS, CdSe, ZnO, ZnS, ZnTe, ZdTe, GaAs, GaSb等
机电耦合系 数/%
罗息盐 350 73
压电陶瓷：BaTiO3, PbTiO3
Pi为晶体的热释电系数。一般材料为10-4~10-6C/(cm2·K)
通过测量讯号电压的变化实现了对远距离热辐射目标温度变化的测量。
尽你所能p，pt想课件出或查出检测极化电荷分布的方式 9
第八节 热电材料-1
热电材料：把热能转变为电能的材料 一、热电效应
1、塞贝克（Seebeck）效应
两种不同的导体构成闭合回路，若使其 结点出现温度差，则闭合回路中就会有 电流流动，此现象为热电效应，相应的 电势称为热电势。
定量描述：
规定：冷端电流流出的材料的电势相对于流入的材料的电势为正。
即，若T1＜T2时，电流由a点流向b点，称A的电势φA大于B的电势φB。 设△VAB=φA-φB； △T=T2-T1，则实验证明，△T不太大时，有
△VAB 与∝△T
ppt课件
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第八节 热电材料-3
定义相对塞贝克系数SAB=SA-SB ： SABlTi m0VTab 则：△VAB=SAB·△T
称SA和SB分别为材料A和B的塞贝克系数
一些元素的热电势排序（前者热电势相对于后者为正）：
Si, Sb, Fe, Mo, Cd, W, Au, Ag, Zn, Rh, Ir, Tl, Cs, Ta, Sn, Pb, Mg, Al, Hg, Pt, Nd, Pd, K, Ni, Co, Bi
晶体中存在热释电效应的前提
具 有 自 发 极 化 ， 即 晶 体 结 构 的 某些方向正负电荷重心不重合。
不 存 在 对 称 中 心 ， 且 存 在 与 其 他极化轴不同的唯一极化轴
ppt课件石英晶体不产生热释电效应示意图 7
第七节 热释电材料-2
三、热释电材料
1、晶体 热释电晶体：CaS, CaSe, Li2SO4·H2O, ZnO
Qm
2
Wm Wm
Wm为每振动周期内单位体积存贮的机械能；△W为每振动周期内单位体 积损耗的机械能
Qm与振动模式有关，如压电振子的形状p、pt课振件动的晶体学方向、振动频率等
Baidu Nhomakorabea
4
第六节 压电材料-4
2、机电耦合系数 k机输 械入 能的 转机 变械 的 (正 能 电 压能 电)效应
或
k静转 电化 场的 下机 输械 入能 (的 逆电 压能 电)效应
第六节 压电材料-2
+
压电体必须是离子晶体或离子团组成的分子
ppt课件
3
第六节 压电材料-3
三、压电材料主要工程参数
1、机械品质因素
压电振子：具有一定取向和形状的压电晶片具有固有的机械谐振频率。 当外电场的频率与其一致时，由于逆压电效应会产生机械谐振。这种 晶片称压电振子。
压电振子在谐振子时，会产生内耗，造成机械能损失，反映这种机械能损 耗程度的参数为机械品质因数Qm，定义为：
第七节 热释电材料-3
红外探测器原理：
Q表示晶体表面的电荷面密 度，P为自发极化强度，T为 温度，则
dQ dP dt dt
设两极板面积为A，负载电 阻为R，则热释电电压为：
热释电红外探测器原理
V R R id (d A) tQ Ad dR P tAd dR d d T P T tAid d RT tP
第五节 介电和铁电材料-12
四、反铁电材料（反铁电体）
一般是离子晶体，电畴内存在两套极化强度相等、 方向相反的亚晶格，使得宏观不显自发极化
双电滞回线：
AB：反铁电体特征，类似于一般的线性介质 BC、CD：铁电体特征，出现固有电极化强度
五、介电铁电材料的应用
电容器，铁电材料可用于高容量电容器： 电子线路中用于阻断、耦合、交直流分离、 滤波和能量存贮等
二、热释电效应机制
电气石中发现：硫磺粉末（黄色）和 氧化铅粉末（红色）混合，用丝质筛 子筛洒加热后的电气石，它们将分别 覆盖于电气石沿三次轴方向的两端。
电气石是一种具有固有极化的晶体
温度引起的自发极化的改变。自发极化的改变来自于离子的位移
ps T 为热释；电 Ps为系 自数 发极 ；T为 化温 强度 度
ppt课件
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第六节 压电材料-1
一、正压电效应和逆压电效应 正压电效应：材料受到应力作用而处于应变状态时，材料内部会引 起电极化和电场，表面出现感应电荷。 逆压电效应：材料受到电场力作用产生电极化时，材料会产生应变。
二、压电效应的机制 无对称中心的晶体中正负离子的位移引起压电效应
具有反演对称中心的晶体无压电效应 ppt课无件反演对称中心的石英晶体有压电效应 2