在外电场作用下BaTiO3单晶中铁电畴极化反转的透射电镜原位研究
(1-x)NBT-xBaTiO3系陶瓷材料制备过程中极化条件的研究
第 ３ 卷 第 ４期 Ｏ
２０ ０ ７年 ８月
山 东 陶 瓷
Ｓ ＡＮ ＤｏＮＧ Ｈ ＣＥＲ ＡＭ Ｉ ＣＳ
Ｖｏ１ ３ ． ． ０ ＮＯ ４
Ｘｕ ．２ ０ ｇ ０７
文章编号： Ｏ ０３（０７Ｏ— ０１ ０ ｌ ５ ６９２０）４ ０１— ３ Ｏ
Ｊ 日Ｊ吾 １ Ｉ
此 相 互 作 用 ， 成 许 多 电畴 ， 一 个 电 畴 的范 围 形 在
内 ， 极 子取 向均 相 同 ， 偶 对不 同 的 电畴 ， 极子 则 偶 有不 同取 向 。在 无 电场存 在 时 ， 整个 陶 瓷多 晶体
传统 的压 电陶瓷 在制 备过 程 中存 在 着铅 的挥
烧 好 的样 品以金 钢砂 （ ｉ ） ＳＣ 作研 磨剂 、 作 研 水 磨 介 质 ， 于玻 璃 板 上磨 平 ， 金 相 砂 纸 上抛 光 。 置 在 将 银浆 均 匀 地 涂 在 样 品 上 下 表 面 。 干 燥 后 在
８０ ０ ℃下保 温半 小 时烧 银 ， 成 附 着 紧密 、 电 性 形 导
化 的状 态 下 ， 的取 向是无规 则 的 ， 品呈 各 向同 畴 样 性 ， 现 不 出 压 电性 能 ， （ ） 样 品经 过 极 化 表 图 ｂ 中
的极化仪器 为 ２７ ６ １型万 能击 穿装置 和恒温油浴 。
２ 极 化 条 件 的研 究
极 化 条件 主要 指 极 化 电 场 强度 、 化 温 度 和 极 极化时间， 三者 相互 影 响 ， 相互 协 调 ， 化 过 程 进 极 行 的是 否充 分对 材料 的压 电性 能影 响很 大 。
要 造 成机 械应 变 ， 向不易 实现 ， 去掉 电场后 电 转 且
度、 极化 电压 和极 化 时 间对 样 品进行 极 化 ， 测试 其
材料物理性能
《材料物理性能》测试题1、利用热膨胀曲线确定组织转变临界点通常采取的两种方法是： 、2、列举三种你所知道的热分析方法： 、 、3、磁各向异性一般包括 、 、 等。
4、热电效应包括 效应、 效应、 效应，半导体制冷利用的是 效应。
5、产生非线性光学现象的三个条件是 、 、 。
6、激光材料由 和 组成，前者的主要作用是为后者提供一个合适的晶格场。
7、压电功能材料一般利用压电材料的 功能、 功能、 功能、 功能或 功能。
8、拉伸时弹性比功的计算式为 ，从该式看，提高弹性比功的途径有二： 或 ，作为减振或储能元件，应具有 弹性比功。
9、粘着磨损的形貌特征是 ，磨粒磨损的形貌特征是 。
10、材料在恒变形的条件下，随着时间的延长，弹性应力逐渐 的现象称为应力松弛，材料抵抗应力松弛的能力称为 。
1、导温系数反映的是温度变化过程中材料各部分温度趋于一致的能力。
（ ）2、只有在高温且材料透明、半透明时，才有必要考虑光子热导的贡献。
（ ）3、原子磁距不为零的必要条件是存在未排满的电子层。
（ ）4、量子自由电子理论和能带理论均认为电子随能量的分布服从FD 分布。
（ ）5、由于晶格热振动的加剧，金属和半导体的电阻率均随温度的升高而增大。
（ ）6、直流电位差计法和四点探针法测量电阻率均可以消除接触电阻的影响。
（ ）7、 由于严格的对应关系，材料的发射光谱等于其吸收光谱。
（ ）8、 凡是铁电体一定同时具备压电效应和热释电效应。
（ ）9、 硬度数值的物理意义取决于所采用的硬度实验方法。
（ ）10、对于高温力学性能，所谓温度高低仅具有相对的意义。
（ ）1、关于材料热容的影响因素，下列说法中不正确的是 （ ）A 热容是一个与温度相关的物理量，因此需要用微分来精确定义。
B 实验证明，高温下化合物的热容可由柯普定律描述。
C 德拜热容模型已经能够精确描述材料热容随温度的变化。
D 材料热容与温度的精确关系一般由实验来确定。
外场作用下 的畴变及裂纹拓展的断裂增韧行为与畴变的耦合机制
下环境对畴变的影响，本章主要研究了在恒电场作用下空气湿度对无裂纹的 BaTiO3 单晶
3.1 湿度对恒电场下 BaTiO3 畴变影响的实验步骤及方法
取 3 片尺寸为 5mm 5mm 1mm 规格的无裂纹的 BaTiO3 单晶片进行抛光，样品 1 和 样品 2 在［010］方向进行面内极化，而样品 3 的离面极化方向为［001］方向。我们定义极 化方向沿［100］方向的畴为 a 畴，平行于［010］方向的畴为 b 畴，与观察面（001）面垂直 的［001］方向同向的畴为 c 畴。然后在样品 1 上施加 E 1.5Ec 的沿［100］方向的电场， 使其铁电畴发生 b a 的畴变；在样品 2 上施加大小不变的沿［001］方向的电场，使其铁 电畴发生 b c 的畴变；在样品 3 上施加的沿［010］方向的大小为 E 的电场，使其发生
[1,3]
。 利用实验手段来观察和分析铁电畴结构及其在外场
作用下的翻转机理，已经成为一种研究铁电畴的有效手段。近年来，研究外场作用对畴变的 影响和裂纹扩展与畴变的关系已为许多研究者关注， 人们运用变理论和畴变的观察手段对外 场作用下的畴变进行了广泛的研究。本文主要介绍了使用偏振光显微镜（PLM）研究湿度对 不同 BaTiO3 单晶畴结构的畴变影响，以及观察了在连续应力场和恒定电场下 BaTiO3 单晶 裂纹拓展的断裂增韧与畴变的耦合行为。
3
纳米材料导论课程论文
材料科学与工程学院
任课老师：朱哲
影响，高湿度环境下容易促进 b 畴向 c 畴转变。样品 3（ c b 畴）在干燥空气中的没有发 生畴结构的改变，而在高湿度环境中发现， c 畴带明显变宽，而 b 畴带明显变细（如图 5 所 示） ，出现于样品 2 类似的实验现象。说明在恒定电场作用下，低湿度对 b c 畴结构没有影 响，高湿度环境下容易促进 b 畴向 c 畴转变。
(完整word版)材料物理复习题
名词解释1。
磁晶的各向异性：单晶体的磁性各向异性2。
自发磁化:铁磁性材料在没有外加H时，原子磁矩趋于同向排列，而发生的磁化3。
磁畴：铁磁质自发磁化成的若干个小区域4、第一类超导体：大多数纯金属超导体,在超导态下磁通从超导体中全部逐出，具有完全的迈斯纳效应（完全的抗磁性)。
5。
压电体：当挤压或拉伸时，两端能产生不同的电荷的晶体6、马基申定律：ρ＝ρ（T）＋ρ残7.铁电畴：铁电体中自发极化方向相同的区域8。
自发极化：在一定温度范围内、单位晶胞内正负电荷中心不重合，形成偶极矩，呈现象极性。
这种在无外电场作用下存在的极化现象称为自发极化9.激子：空穴带正电，电子带负电，它们之间的库仑吸引互作用在一定的条件下会使它们在空间上束缚在一起，这样形成的复合体称为激子。
10。
激光:11。
磁致伸缩材料：具有磁致伸缩特性的材料。
磁性伸缩铁磁体在磁场中磁化时,其尺寸或体积发生变化的现象.12。
剩余磁感性强度:当对磁体施加完一个磁场以后,产生磁通密度。
但是把磁场去掉以后，磁通密度并不会减小到0,出现剩余磁场，此为剩余磁通密度。
13.磁弹性能：当铁磁体存在应力时，磁致伸缩要与应力相互作用，与此有关的能量14、反铁电体：在一定温度范围内相邻离子联线上的偶极子呈反平行排列,宏观上自发极化强度为零,无电滞回线的材料，称为反铁电体。
15、铁电畴：在一个小区域内，各晶胞的自发极化方向都相同，这个小区域称为铁电畴16、电介质的击穿：一般外电场不太强时，电介质只被极化，不影响其绝缘性能.当其处在很强的外电场中时，电介质分子的正负电荷中心被拉开，甚至脱离约束而成为自由电荷，电介质变为导电材料.当施加在电介质上的电压增大到一定值时，使电介质失去绝缘性的现象称为击穿17、第二类超导体:铌、钒及其合金中，允许部分磁通透入,仍保留超导电性.存在两个临界磁场，较低的Hc1和较高的Hc2.18、热释电体:对于具有自发式极化的晶体，当晶体受热或受冷后，由于ΔT而导致自发式极化强度变化（ΔPS),从而在晶体的一定方向上产生表面极化电荷的现象称为“热释电效应”.具有热释电效应的材料称为热释电体。
铁电材料BaTiO3的制备及其压电、光伏特性实验报告
铁电材料BaTiO3的制备及其压电、光伏特性实验报告调研报告一、文献综述1.背景:铁电材料是指具有自发极化，而且在外加电场下，自发极化发生转向的电介质材料，它是热释电材料的一个分支。
铁电材料由于其铁电性、介电性、压电性、热释电效应、热电效应、电光性质等特性，而广泛应用于各个领域（见下表1），如在通讯系统、微电子学、光电子学、集成光学和非机械学等领域有着重要的或潜在的应用,从而引起国内外学者的广泛研究。
表1.铁电薄膜材料的应用铁电薄膜材料根据成分可分为三大类，包括铌酸盐系、钛酸盐系、锆酸盐系，其中典型铁电材料有:钛酸钡(BaTiO3)、磷酸二氢钾(KH2PO4)等，然而BaTiO3是一种强介电化合物材料，它具有很高的介电常数和较低的介电损耗，是电子陶瓷中使用最广泛的材料之一，它被称作“电子陶瓷工业的支柱”。
同时该材料是最早研究的钙钛矿结构的铁电材料，因此通过对该材料的学习、制备和性能的检测，对铁电材料领域的相关知识的了解有着重要的意义。
前人们对钛酸钡的制备和性能有着很多的研究，目前对钛酸钡材料的研究已经往微型化发展，制备成铁电薄膜材料，同时研究不同的制备方法、元素掺杂等对钛酸钡薄膜材料性能的影响，在这基础上，研究外界条件（外加磁场等）对铁电薄膜材料的物理调控，渐渐的利用其性质应用于器件中（光伏器件、电容器等）。
2.制备方法与结构性质:结构性质：电介质材料按其晶体对称性可分为32种点群，在这32种晶体学点群中，有21种不具有对称中心，其中20种呈现压电效应。
而这20种压电性晶体中的10种具有受热而自发极化现象，因其是受热而引起电极化状态的改变，故这10种晶体又称为热释电晶体。
热释电效应只发生在非中心对称并具有极性的晶体中。
铁电体即使在没有外界电场作用下，内部也会出现极化，这种极化称为自发极化。
自发极化的出现是与这一类材料的晶体结构有关的。
热释电效应热电体内存在未被抵消的电偶极矩，但由于周围的自由电荷，使得其自发极化电场被屏蔽，当温度变化时，极化强度随之变化，而屏蔽电荷跟不上极化电荷的变化，对外表现出热释电性。
《材料物理性能》测试题汇总
《材料物理性能》测试题1、利用热膨胀曲线确定组织转变临界点通常采取的两种方法是： 、2、列举三种你所知道的热分析方法： 、 、3、磁各向异性一般包括 、 、 等。
4、热电效应包括 效应、 效应、 效应，半导体制冷利用的是 效应。
5、产生非线性光学现象的三个条件是 、 、 。
6、激光材料由 和 组成，前者的主要作用是为后者提供一个合适的晶格场。
7、压电功能材料一般利用压电材料的 功能、 功能、 功能、 功能或 功能。
8、拉伸时弹性比功的计算式为 ，从该式看，提高弹性比功的途径有二： 或 ，作为减振或储能元件，应具有 弹性比功。
9、粘着磨损的形貌特征是 ，磨粒磨损的形貌特征是 。
10、材料在恒变形的条件下，随着时间的延长，弹性应力逐渐 的现象称为应力松弛，材料抵抗应力松弛的能力称为 。
1、导温系数反映的是温度变化过程中材料各部分温度趋于一致的能力。
（ ）2、只有在高温且材料透明、半透明时，才有必要考虑光子热导的贡献。
（ ）3、原子磁距不为零的必要条件是存在未排满的电子层。
（ ）4、量子自由电子理论和能带理论均认为电子随能量的分布服从FD 分布。
（ ）5、由于晶格热振动的加剧，金属和半导体的电阻率均随温度的升高而增大。
（ ）6、直流电位差计法和四点探针法测量电阻率均可以消除接触电阻的影响。
（ ）7、 由于严格的对应关系，材料的发射光谱等于其吸收光谱。
（ ）8、 凡是铁电体一定同时具备压电效应和热释电效应。
（ ）9、 硬度数值的物理意义取决于所采用的硬度实验方法。
（ ）10、对于高温力学性能，所谓温度高低仅具有相对的意义。
（ ）1、关于材料热容的影响因素，下列说法中不正确的是 （ ）A 热容是一个与温度相关的物理量，因此需要用微分来精确定义。
B 实验证明，高温下化合物的热容可由柯普定律描述。
C 德拜热容模型已经能够精确描述材料热容随温度的变化。
D 材料热容与温度的精确关系一般由实验来确定。
柔性纳米发电机及器件的最新研究进展
research progress and working principles of piezoelectric, triboelectric and hybrid nanogenerators at home and abroad are reviewed, nanogenerators based on different materials, structures and application fields are expounded, and their applications
2015 年, 韩国忠南大学 Hwang 等 [11] 首先利用固态单
晶生长方法制备了铌镁酸铅-锆钛酸铅( PMN-PZT) 块状单
晶片薄膜, 进一步使用机械工艺将单晶片厚度减小, 并
2 纳米发电机工作原理
根据工作 原 理 的 不 同, 纳 米 发 电 机 可 分 为 PENG、
TENG 和复合型纳米发电机 [6] 。
2. 1 压电纳米发电机
PENG 是材料通过正压电效应实现能量转换的, 如
图 1 所示 [7] 。 当压电材料发生形变产生极化电荷, 极化
电荷在材料内部形成电场, 对电板上下表面的电子产生
定的电压和电流。
3 柔性压电纳米发电机
材料本身具有压电性是制备 PENG 最基础也是最重
要的前提条件。 传统压电材料根据材料种类可分为无机、
有机和复合压电材料, 目前主流的压电材料包括锆钛酸
第六章 铁电物理与性能学
铁电相变
位移型相变铁电体
（不涉及化学键的破坏，新相和旧相之间存 在明显的晶体学位相关系）
以BaTiO3为例
钛酸钡不同温度下的晶胞结构变化示意图
位移型相变铁电体
以典型铁电材料——钛酸钡BaTiO3晶体为例，介绍其自发极化的微观模型
BaTiO3晶体从非 铁电性到铁电性的 过渡总是伴随着晶 体立方→四方的改 变，因此提出了一 种离子位移理论， 认为自发极化主要 是晶体中某些离子 偏离了平衡位置， 使得单位晶胞中出 现了电偶极矩造成 的
第六章 铁电物理与性能
Ferroelectrics
基本定义
具有自发极化强度,自发极化强度能 在外加电场下反转 或：具有电滞回线和具有电畴的特 点的材料为铁电体
Note:
铁电体与铁磁体在其它许多性质上也具有相 应的平行类似性，“铁电体”之名即由此而 来，其实它的性质与“铁”毫无关系。在欧 洲（如法国、德国）常称“铁电体”为“薛 格涅特电性”（Seignett-electricity）或 “罗息尔电性”（Rochell-electricity）。 因为历史上铁电现象是首先于1920年在罗息 盐中发现的，而罗息盐是在1665年被法国药 剂师薛格涅特在罗息这个地方第一次制备出 来。
（3）压电聚合物
聚二氟乙烯（PVF2 ）是目前发现的压电效应较强的聚合物 薄膜，这种合成高分子薄膜就其对称性来看，不存在压电效应， 但是它们具有“平面锯齿”结构，存在抵消不了的偶极子。经延 展和拉伸后可以使分子链轴成规则排列，并在与分子轴垂直方向 上产生自发极化偶极子。当在膜厚方向加直流高压电场极化后， 就可以成为具有压电性能的高分子薄膜。这种薄膜有可挠性，并 容易制成大面积压电元件。这种元件耐冲击、不易破碎、稳定性 好、频带宽。为提高其压电性能还可以掺入压电陶瓷粉末，制成 混合复合材料(PVF2—PZT)。
磁电效应及磁致伸缩铁电复合磁电材料
磁电效应的历史
1972年荷兰Philips实验室的Van Suchtelen首先把铁磁相如
CoFe 2O4与铁电相如BaTiO3；混在一起共熔原位复合制得了第 一个铁电—铁磁复合材料(磁电转换系数dE／dH值达163mV／ cm·Oe )。
从而可得到铁电钙铁矿层与铁磁性氧化物层交替排列的 新型纳米铁电铁磁复合体。
在铁电—铁磁复合材料的合成与制备中存在的问题
影响了材料的高性能和高可靠性。近年来软化学法作为
一种先进的材料制备方法，已经在功能陶瓷的制备方面
开辟了一种新的工艺路线，姚烹等就提出通过溶胶—凝
胶(s01—8e1)法、原位沉淀(in situ prec如tated)法制备纳米
具有磁电效应的材料
1. 单相材料 对于几乎所有的已经发现的磁电材料，, ME 系数都很低（aE约20
mV/cm Oe）而且在要求温度很低的条件下。随着使用温度升到居里 温度以上时，磁电系数降到零， 这使得他们很难在实际中得到应用。
磁电系数
E 感生的电场强度 H 为外加的磁场强度, 2. 复合材料
之间的乘积效应不能最大发挥出来
受Jungho 板上通过溅射
(Rspyuut思ter想in的g)、启化发，学K气．相H凝．聚Sh(iCnV等C在)法Pb沉(Z积r，了T一i)O层3(P铁Z电T)层薄
膜，也制备出了铁电—铁磁复合材料，但是这种方法实验设备昂贵，
制备条件苛刻。
新的制备方法
目前，原有的方法也不断地得到改善，然而不论是采
后来Van den Boomgaard等提出采用磁致伸缩/压电材料复合的方 法来实现磁电转换 H材a料rs提he高测了量许了多C（FO尽/P管ZT比复理合论材预料测a的E=结75果m小V许/cm多O）e, 比以前单相ME Srinivasan 测量了NFO/PZT 多层复合材料 ( using the tape casting technique.) aE 值达到了 1500 mV/cm Oe
铁电性能
从一个面上看的投影图
当 冷 却 致 居 里 温 度 以 下 时 ， Ti4+ 和 O2-偏离平衡位置，造成正负电荷中 心不重合，结果产生永久电偶极子
BaTiO3 晶 体 从 非 铁 电 相 到铁电相的过渡总是伴 随着晶体立方四方的 改变，因此提出了一种 离子位移理论，认为自 发极化主要是由晶体中 某些离子偏离了平衡位 置，使得单位晶胞中出 现了电偶极矩造成的
示出直线型的温度特性，而介电常数r仍能保持近2000
8
4. 介电常数
铁电体的极化强度和外加电压的关系是非线性的，即其介电常数不是一个常数，随 外电场的增大而增大
铁电体的优点：介电常数可以很大，r最大可以超过10万，这对制造大容量小体积
的电容器十分有意义
铁电体的缺点：用作电容器介质材料时，不适宜性也很多。例如： 随电压变化大 产生电致伸缩现象 呈现电滞回线，因而损耗很大 耐电性能差 老化严重
9
10
课堂作业
1、氢在1大气压下是绝缘体，但在高压下却变成导体（具有金 属特性），为什么？ 2、空气是一种介电强度很小的电介质，基此，请解释闪电的 起源。
11
4
2. 铁电畴
通常，一个铁电体并不是在一个方向上单一地产生自 发极化。但在一个小区域内，各晶胞的自发极化方向 都相同，这个小区域称为铁电畴，两畴之间的界壁称 为畴壁
铁电畴 铁电畴 畴壁
铁电畴在外电场作用下，总是要趋向于与外电场方向一致，这形象地称作电畴的 “转向” （实际的电畴运动是通过在外电场作用下新畴的出现、发展以及畴壁的 移动来实现的）
人工极化：铁电畴在外电场作用下的“转向”，使得铁电材料具有宏观极化强度， 即材料具有“极性”
剩余极化：当外加电场撤去后，有小部分电畴偏离极化方向，恢复原位，大部分 电畴则停留在新转向的极化方向上，使材料仍具有宏观剩余极化强度
Bi(Zn0.5Ti0.5)O3—BaTiO3陶瓷的结构、介电和铁电性能
Bi(Zn0.5Ti0.5)O3—BaTiO3陶瓷的结构、介电和铁电性能摘要本文采用了固相合成法制备BBT系统陶瓷，以Bi(Zn0.5Ti0.5)O3—BaTiO3陶瓷系统为研究对象，通过SEM、XRD等实验手段对其合成过程进行分析，研究了陶瓷制备过程中烧结温度和烧结时间对结构演化的影响，并研究其结构与介电性能和铁电性能的关系。
结果得出：介电常数εr随着烧结温度升高而明显增大，且具有明显的频率敏感性。
三方相含量较高的BaTiO3陶瓷具有较高的矫顽场和较大的剩余极化强度；四方相含量较高的BaTiO3陶瓷具有较低的矫顽场和较小的剩余极化强度，Bi3+取代使三方相含量增加，铁电性能明显提高。
关键词：Bi(Zn0.5Ti0.5)O3—BaTiO3，固相烧结法，结构，介电性能，铁电性能内容引言近年来，由于建筑工业的发展和人们对装饰、装修要求的多样化，国内外建筑卫生陶瓷工业发张十分迅猛。
陶瓷在中国乃至世界有着辉光的篇章，20世纪的工业革命极大地推动了科学技术的进步和社会生产力的发展。
与金属材料和有机高分子材料比较，陶瓷材料的高强度、高硬度、耐腐蚀和化学性质稳定等特性使得它在机械、冶金、化工、航天航空等领域有着广阔的应用市场。
而陶瓷材料在热学、光学、磁学和电子学等方面所表现的特殊性能则构成了功能庞大的家族，为电子技术、传感技术和生物技术等现代高新技术的发展做出了重要贡献。
然而，陶瓷这一传统工业比其他新兴工业发展相对较慢，一方面是由于制造陶瓷的原料大多为天然矿物，在不同地区甚至同一地区原料的组成，结构和性能千差万别，对其认识主要是经验性的，而缺乏通用性和科学认识。
另一方面，陶瓷成型的技术性很强，难以机械化和自动化生产。
总之，传统陶瓷工业发展缓慢的根本原因是其组成—结构—性能之间的关系非常复杂，还有传统工艺技术上的垄断和保守。
一. BaTiO3陶瓷的晶格结构简介钛酸钡是属于典型的钙钛矿型晶体结构，其通式为ABO3。
铁电体电畴结构的观测方法
通常条件下，有多种 力可以引起悬臂梁的 形变。对原子力显微 镜来说最常见的力是 分子间的范德华力。 左图给出了范德华力 与针尖和样品之间距 离的关系。图中标出 了两个距离区：（1） 接触区；（2）非接触 区。在接触区中样品 与针尖的距离在几个Å 左右，针尖和样品之 间的力是斥力。在非 接触区。针尖样品间 距为几十到到几百个 Å ，样品与针尖之间 的力为引力。
AFM 操作模式
接触模式
针尖与样品表面之间距离及其相互作用力关系 /Chinese/principles.asp?Action=AFM
非接触模式
轻敲模式
各种模式的特点：
接触模式（contact mode）: 恒力模式：适用于物质的表面分析 恒高模式：适用于分子、原子的图像的观察 非接触模式（non-contact mode）：灵敏度高于接 触模式,但不适于液体中成像 轻敲模式(tapping mode)：在高分子聚合物和生 物 大分子的结构研究中应用广泛
旋光法：对于具有旋光性的晶体，如 Pb5Ge3O11，还可以利用其旋光性观察 180畴。当一束偏振光沿晶体C轴传播 时，一组畴在检偏器后显示出黑暗。另 一组畴显示出光亮。
光学法观察电畴的尺寸只能到m量级。
液晶显示技术
将一薄层向列型液晶覆盖在铁电晶体表 面，由于电畴极性的影响，液晶分子会 形成一个与畴结构相应的图案，可用偏 光显微镜直接观察。一种液晶分子相对 于铁电畴的排列如图所示。这种方法优 于酸腐蚀法和粉末沉淀法。特点是方便 而且快，能迅速响应畴结构的快速变化， 并具有十分高的分辨率。此方法的主要 优点是比较容易实时观测畴在电场作用 下的运动。
I3
O1 O2 O3
G O -G
I2 I1
铁电体(BaTiO3)极化特性解释
•
BaTiO3 晶体结 构
BaTiO3 的电子构型 • Ba正离子: 2 2 6 2 6 1 • Ti正离： S 2 S 2 P 3 S 3 P • O负离子： S 2 2 S 2 2 P 6 1
1S 2 2 S 2 2 P 6 3S 2 3P 6 3d 10 4 S 2 4 P 6 4d 10 5S 2 5P 6
mv
2
=
56 4 πε
e
0
2
可见 越大居里点越高。当然这只是一 种趋向，不能由此计算居里点（经典理论 不适用于原子尺寸）。n rΒιβλιοθήκη rG=14
e
0
2
πε
rG
电滞出现的条件
• 温度在居里点以下 • 正离子为多质子核，且n/r 足够大 • 正离子核外有空的且能级比较低的 轨道 • 负离子为非强电负性 • 晶体结构为对称的层状结构
• 正反电滞的出现：BaTiO3晶体 层状对称性，反向电场(-E)使 电子偏向Ti-O-Ti层另一侧的 Ba层，表现为反向的电滞（Pr）。 • Pr的出现使电滞回线不再沿开 始的极化曲线返回原点
对居里点得解释
• 电子的能量也可以依靠热运动来获得。一 定的温度使得Ba的外层电子轨道无法再俘 获外来的电子，使得极化不再出现，这一 温度叫居里点。利用经典的方法：
外来离子的影响
• 如在Ba层中引入结构比较复杂的 离子如：La系，由于La系有(n2)f,(n-1)d等能级更低的轨道，故电 滞Pr较大；若在Ti-O-Ti层中引入 La等，则电子不易偏向Ba层，从 而使Pr更小。（图）。
•SBLT-x样 品电滞回线
Thank
you
铁电体batio3极化特性解释ustc2003铁电体的极化特性一般铁电体的晶体结构和成键特点和电子分布batio3的电子构型nikonnikon偏光顯微偏光顯微一般铁电体的晶体结构和成键特点和电子分布铁电体的成键特点和电子分布
多铁性材料BiFeO3的研究
北京理工大学 材料学院 10硕1班杨伟光
contents
• 1、磁电效应与多铁材料 • 2、单相多铁性材料BiFeO3简述
磁电效应
• 与传统意义上的麦克斯韦方程组所表示的电磁耦合不同，磁 电效应所涉及的电磁耦合指的是表征介质磁学性质和介电性 质的序参量，即磁化强度（M）和电极化强度（p）之间存 在的耦合性质；基于此，外加电场若能改变介质的磁学性质 或者外加磁场能改变介质的电极化性质，称为磁电效应 (magnetoelectric effect). • 正磁电效应 P=AH • 逆磁电效应 M=AE
BFO制备
• BFO块体：普通固相烧结/快速液相烧结工艺/稀硝酸过滤快速
烧结工艺等。
• BFO薄膜：常用的制备多铁纳米薄膜材料的方法大致可以分为
物理法和化学法两大类。物理法包括激光脉冲沉积(PLD)，磁控溅射 （MS)，离子束溅射沉积（IBSD)，分子束外延（MBE)等。化学法包括 化学气相沉积(普通电化学气相沉积 (CvD)、金属有机化学气相沉积 (MoCvD)及等离子体化学气相沉积 (PECVD))，化学液相沉积(溶胶一 凝胶）及金属有机物分解法(MOD)等。
BFO简介
• 纯的BiFeO3 基材料的磁电性能比较差，需要对其进行改 善。目前改善的方法有以下四种： （1）Popov 等对BiFeO3 施加强磁场, 发现在200kOe 时， 有电子极化的突跃和线性磁电效应的出现； （2）制成薄膜材料改变其结构； （3）稀土掺杂改性； （4）与其他钙钛矿型结构的铁电材料形成互溶体系。 同时要求制成纳米材料，打破其G型反铁磁调制螺旋结构。
BFO简介
• B位掺杂 离子半径相近的，具有相似固溶体结构的B位原子掺杂 BiFe1-XRXO3 • 掺Ti:x=0.1 200KV/cm电场下漏电流密度=7.6x10-8A/cm2 （3.62x10-6)自发极化 32.5μc/cm2 剩余极化16.2 μc/cm2 原理：高价Ti有更多电子供给晶格，为了保证电中性，要 减少氧空位。 掺V/ Nb:降低氧空位 掺Co/Mn：磁性离子
陶瓷材料中的晶界行为
• 铁电陶瓷的特性
铁电陶瓷(ferroelectric ceramics)，主晶相为铁电体的陶瓷材料。 它的主要特性为： (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（铁磁性物质在Curie温度以上,磁化 率χ所遵循的实验定律称为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。低的老化率。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。
。
• 陶瓷界面不同于金属界面的一些特殊现象和规律： 1.从化学键的角度来说，陶瓷与金属有本质不同，大多数陶 瓷材料是以离子键和共价键为主的，荷电的缺陷通常局域 在某些位臵和地区。陶瓷的介电性说明总体中不荷电的块 材料，可以在局部区域形成静电场，尤其在晶界会有空间 电荷及晶界电位。 2.有一类陶瓷材料的晶体结构其晶胞具有自发极化的特点， 这类晶体总称铁电体。其自发极化方向可以因外电场而改 变。而且材料在不同温度下具有顺电相（无自发极化强度） 与铁电相的转变。 3.烧成是陶瓷制品的最主要工艺步骤，在烧成过程中存在有 非常复杂的物理化学反应。致密化是陶瓷烧成的主要目标， 因此烧成过程伴随固—固，固—液相反应，都有晶粒的重 排、合并、长大及晶界的变迁。
• 晶界电位及界面势垒的存在对陶瓷材料中一些特殊性能有 重要影响，有一种成为PTC（即正温度系数）的半导体陶 瓷，典型代表是BaTiO3，这种瓷料经过掺杂可以半导体， 在居里温度以下，电阻率很低，而在超过居里温度后，电 阻率迅速增加几个数量级，即具有很大的正电阻温度效应。
铁电性材料物理性能
B.去电场过程 晶体的极化强度亦随之减小
在零电场处，仍存在剩余极化 强度Pr。
剩余极化强度Pr：
P
Ps B
C
Pr Ps Pr
A
EC
O
E
剩余极化：九0°电畴的转向是不充分的，而且，由于转向时引起较大 内应力，所以这种转向不稳定。当外加电场撤去后，则有小部分电畴 偏离极化方向，恢复原位，大部分电畴则停留在新转向的极化方向上， 这叫剩余极化。
° •
°
• •
• •
钛离子的直径：二× 0.六四= 一.二八
Ba2+ Ti4+
O-
自发极化过程： ➢氧八面体空腔体积大于钛离子体积，给钛离子位移的余地。 ➢较高温度时，热振动能比较大，钛离子难于在偏离中心的某一个位置上 固定下来，接近六个氧离子的几率相等，晶体保持高的对称性，自发极 化为零。
➢温度降低到一二0℃，低于 距离温度，钛离子平均热振 动能降低，因热涨落，热振 动能特别低的离子占很大比 例，其能量不足以克服氧离 子电场作用，有可能向某一 个氧离子靠近，在新平衡位 置上固定下来，并使这一氧 离子出现强烈极化，发声自 发极化，使晶体顺着这个方 向延长，晶胞发声轻微畸变， 由立方变为四方晶体。
极化电压对电畴转向 有类似的影响极化电压加 大，电畴转向程度高，剩 余极化变大。
P
Ps B
C
Pr Ps Pr
A ε
EC
O
E
C.晶体结构对电滞回线的影响
BaTiO三单晶和多晶体电滞回线就不完全相 同： BaTiO三单晶的电滞回线既窄又陡接近于矩 形， Ps和Pr很接近，而且Pr较高； BaTiO三陶瓷的电滞回线既宽又斜。
铁电性材料物理性能
一铁电体
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第２ ５卷 第 ３期
２０ ０ ６年 ６月
电 子
显
微
学
报
Ｖ０． ５． １２ Ｎｏ． ３ ２ ｏ ． ０ ６６
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆ Ｃ ｉ ｅ ｅ Ｅ ｅ ｔ ｏ ｉｒ ｓ ｏ ｙ Ｓ ｃｅｙ ｏ ｒ ａ ｈ ｎ ｓ ｌｃ ｒ ｎ Ｍ ｃ ｏ ｃ ｐ ｏ ｉｔ ｏ
电 子 显 微 学 技 术 不 仅 使 得 施 加 在 样 品表 面 的 实 际 电
１１ ０ ０型氩 离 子 减 薄 仪 进 行 减 薄 直 到 穿 孔 。我 们 制
作 了 一 个 特 殊 的 遮 盖 工 具 挡 住 样 品 中 心 的 孔 ， 样 在
品没 有 凹坑 的一侧 喷 上 两 个半 圆形 的 金 电极 ， 同时 在 两个 电极 之 间 形 成 大 约 ５０ｔ ０￣ ｍ没 有 喷 金 的 中心 带， 图 ｌ 如 ａ所 示 。遮 盖 工 具 的 放 置 方 向是 特 定 的 ， 应 使施 加 在样 品上 的 电场方 向沿 着 ［０ ］ 向。为 ０ １方 了实 现在透 射 电镜样 品表 面原 位 加 载 电场 ， 们 专 我 门设 计和制 造 了一可 加 电场 的透射 电镜样 品台 。图
铁 电体 极化 反转 的研 究无 论对 相关 的基础 科学 研究还 是工 业应 用都有 着 十分 重要 的意义 。 过去几 十年 ， 人们 已经 运用 了各 种 技术 来 研 究极 化 反 转 过 程¨ 。 。原位 透射 电 子显微学 方 法 由于 具 有较 高 的 分辨率 和强 大 的动 态成 像 能 力 而 越来 越 受 到 重 视 。 早期就 有一 些关 于通 过在 透射 电镜 中原位 加 电场来 研究铁 电畴 反转 的报道 ｊ 但 所 加 电场 方 向是 沿 ， 着样 品的厚 度方 向 ， 就 是 平 行 于 电子 束 。近 几 年 也 来 ，ａ Ｔｎ和 Ｘ ｕ等人 采 用 了一 种在 样 品表 面施 加 电场 的方 法 ， 电场 方 向垂 直 于 电子 束 。这 种 原 位 即
于 Ｔｎ和 Ｘ ａ ｕ的 方 法 。
ｆ
ａ
丝
顶 视 图
侧 视
图
１ 实 验 方 法
本工作 所 使用 的样 品是 Ｂ ＴＯ 单 晶 ， 一 种具 ａｉ 是 有钙 钛矿结 构 的铁 电体 ， 温 下 为铁 电 四方 相 。首 室 先从 一块尺 寸 为 １ ｍ× ｍ ｍ ５ ｍ×５ ｍ的大块 单 晶上切 ｍ 下一 片 ０ ５ ｍ×３ ｍ× ｍ ．ｍ ｍ ３ ｍ的方形 样 品用 于 透 射 电 镜原位 观察 ， 然后 按 照 透 射 电镜 样 品 的 常规 制 备 方
作者 简 介 ： 笑 迎 （９７一）女 （ 族 ） 吉 林 省人 ， 士 研 究 生 ． 齐 １７ ， 汉 ， 博 ＊通 讯作 者 ： 晓 峰 （９８一）男 （ 族 ） 山 东 省人 ， 究 员 。 士 研 究 生 导 师 段 １４ ， 汉 ， 研 博
摘 要 ： 过 在 样 品表 面施 加 电 场 ， 用 透 射 电 子 显 微 镜 原 位 观 察 和 研 究 了 Ｂ ＴＯ 通 利 ａｉ３单 晶 中铁 电 畴 的 极 化 反 转 过
程 。 结 果表 明 ， 外 加 电场 作 用 下 ， 电畴 发 生 重 新取 向 ， 极 化 方 向逐 渐 向 着 与 电场 方 向 平 行 的 方 向 转 变 ， 在 铁 其 当撤
去电场后 。 又趋 向 于 恢 复 到初 始状 态 。
关 键词 ：原住 透 射 电子 显 微 学 ； 化反 转 ； 电畴 ； ａｉ３ 极 铁 ＢＴＯ
中 图 分 类 号 ： Ｎ ６ Ｔ ２ ’ ； ４ ２ ４ Ｔ １ ５ ２ ５ ３ Ｔ １ ； Ｍ ２ ３ ０ ８ ． ； Ｇ １ ． １ ． 文 献标 识 码 ： Ａ
文章 编 号 ：０ ０６ ８ （０ ６ ０ ．２ ４０ １０ ．２ １ ２ ０ ） ３０ ０ ．４
在外 电场作用下 ＢＴＯ 单 晶 中铁 电畴极化反转 的 ａｉ３ 透射 电镜 原位 研 究
齐 笑 迎 ，段 晓峰
（ 中国科 学院 电子 显微镜 重 点 实验 室 ， 京凝聚 态物理 国 家实验 室 ， 北 中国科 学 院物 理研 究所 ， 京 １０ ８ ） 北 ００ ０
１０ ｌ ０ １
场的大 小和方 向更精确 ， 且使 裂纹 、 劳 和畴 的反 而 疲 转 等许 多研究 变 得 更加 容 易 和直 观 。然 而 ， 目前 到 为止 ， 于铁 电畴 反 转 过程 的报 道 仍然 很 少 。本 文 关 将 报道在 外 加 电场 作 用 下 Ｂ ＴＯ 单 晶 中铁 电 畴 反 ａ ｉ 转 的原位 电子显微 学 研究 结 果 ， 所使 用 的方 法 类 似
法， 过机 械研磨 、 经 凹坑 ， 后 使 用 Ｆｓｈ ｎ ｏｅ 最 ｉ ｉ ｅ Ｍ ｄｌ ｃｏ
收 稿 日期 ：０６０ ．１修 订 日期 ：０６０ ．２ ２０ ．２２ ； ２０－３２ 基 金 项 目： 家 自然科 学 基 金资 助 项 目（ ｏ６３ １３ ） 国 Ｎ ．０７０ １ ． Ｆ ｕ ｄｔ ｎｉｍ ： ａｏａ Ｎ ｔｒ ｃｅｃ ｕｄｔｎｏ ｈｎ（ ｏ６ ３１３ ） ｏｎ ａ ｏ ｅ Ｎ ｔ ｎｌ ａ ａ Ｓｉ ｅＦ ｎａｏ Ｃ ｉａ Ｎ ．０７０ １ ． ｉ ｔ ｉ ｕｌ ｎ ｉ ｆ
ｂ 位 透 射 电子 显微 学研 究 铁 电 畴 极 化 反 转 的
实 验 方 法 示 意 图 。 ａ 样 品 结 构 ； ： 验 装 置 ： ｈ实
Ｆ ｇ １ Ｓ ｈ ｍａｉ ｌｕ ｔａｉｎ ｏ ｎ ｓｔ ｉ ． ｃ ｅ ｔ ｉ ｓｒ ｔ ｓｆｒｉ ｉ ＴＥＭ ｔｄ ｆｄ ｍａｎ ｃ ｌ ｏ ｕ ｓｕ ｙ ｏ ｏ ｉ ｓ ｔｈｎ ｎ ｅ ｘｅ ａ ｌｃｒ ｅｄ． ｗｉ ｉｇ ｕ ｄ ｒｅ ｔｒ ｌｅｅ ｔｉ ｆ ｌ ｃ ｎ ｃｉ ａ： ｐ ｃｍｅ ｏ ｆｇ ｒ ｔ ｎ； Ｅｘ ｒｍｅｎａ ｅｕ Ｓ ｅ ｉ ｎ ｃ ｎ ｕ ａｉ ｉ ｏ ｂ： ｐ ｉ ｅ ｔｌｓ ｔｐ