压电、热释电与铁电材料
压电、热释电与铁电材料
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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。
铁电材料的应用及其性质
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铁电材料的应用及其性质铁电材料是一种拥有电极化性能的材料,可以在外加电场的作用下产生极化效应,其具有许多重要的物理特性和应用价值。
铁电材料被广泛应用于电容器、传感器、压电材料、振动器、光伏器件、非易失性存储器等领域。
本文将深入探讨铁电材料的性质及应用。
一、铁电材料的性质1.电极化性能:铁电材料表现出极化现象,它们能够在电场的作用下,在晶体中产生电偶极矩,同时使晶体的电荷分布发生改变。
铁电材料的电极化是由于离子偏移所导致的,离子的偏移可导致电流产生。
经过组合后,可以得到电信号的输出。
2.压电性能:铁电材料具有压电性能,亦即当外力作用于铁电材料时,晶体结构会产生变化,而反过来当外加电场作用于铁电晶体时,也能感受到压力的变化。
其作用的原理是,当材料受到外力的作用时,内部离子的晶格结构也会产生变形,从而产生相应的电信号。
压电传感器就是利用这种原理来实现高精度测量。
3.热释电性能:一些铁电材料还表现出热释电性能。
当这类材料被局部加热时,就会产生电荷,从而产生电信号。
这种特性可用于温度变化传感器,甚至是毒气检测器中。
4.非线性光学性能:铁电材料在非线性光学方面有很出色的表现,可以利用其将光束加工成符号、滤色器和测量仪器的功能。
二、铁电材料的应用1.电容器:由于铁电材料的电极化和解极化响应速度快,它们可用于电容器中,主要用于储存电料以及印刷电路板制作等领域。
2.传感器:由于铁电材料的压电特性,它们可以被用于制作各种类型的传感器,如液体容器液位感应器、汽车摩擦感应器等等。
3.振动器:由于铁电材料的压电特性和极化性能,它们可用于制造各种类型的振动器,如石英晶体振荡器等。
4.光伏器件:铁电材料在光伏器件中的应用越来越广泛。
铁电效应能够使太阳能电池在太阳光照射下提高光电转换效率,而且在成本上也具有一定优势。
5.非易失性存储器:铁电材料的极化状态可以长时间维持,因此它们可以被用于非易失性存储器中。
这种材料可以将电信号转化成二进制代码,从而实现信息存储和检索。
材料的压电性能和铁电性能比较
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K2
通过逆压电效应得 转的 换机 所械压电效应转得换的所电能 转换时输入的总机械能
压电陶瓷振子(具有一定形状、大小和被覆工作电极的压电陶瓷 体)的机械能与其形状和振动模式有关,不同的振动模式将有相 应的机电耦合系数。
如对薄圆片径向伸缩模式的耦合系数为Kp(平面耦合系数); 薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为K31(横向耦合系数); 圆柱体轴向伸缩模式的耦合系数为K33(纵向耦合系数)等。
3高灵敏度、高可靠性的传感器 压电力敏、声敏、热敏、光敏、湿敏和气敏等传感器
材料的压电性能和铁电性能比较
第二节 热释电与铁电性能
一 自发极化及其微观机制 1自发极化 极化状态是在外电场为零时自发产生的 晶胞中正负电荷中心不重合,晶胞的固有偶极矩会沿 同一方向排列整齐,使晶体处于高度极化状态 具有自发极化的晶体必然是个带电体,其电场强度取 决于自发极化强度 2局部电场形成的基本原理 偶极子起源于电荷为q的一种A离子在晶格中的位移, 则极化起因于晶格中所有的A离子作相同的位移,对于 任何一个单个的A离子,即使无外场作用,也有来自周 围极化P所产生的局部电场 3热释电效应和压电效应 束缚在表面的自由电荷层有一部分可恢复自由释放出 来,使晶体呈现出带电状态或在闭合电路中产生电流
材料的压电性能和铁电性能比较
4、频率常数N
对某一压电振子,其谐振频率和振子振动方向长度的 乘积为一个常数,即频率常数。
其中:
N=fr×l
fr为压电振子的谐振频率;
l为压电振子振动方向的长度。
薄圆片径向振动
Np=fr×D
薄板厚度伸缩振动 Nt=fr×t
细长棒K33振动
N33=fr×l
薄板切变K15振动
2 介质损耗 表征介电发热导致的能量损耗 3 弹性系数 压电体是一个弹性体,服从虎克定律 4 压电常数 机械能转变为电能或电能转变为机械能的转换系数 5 机械品质因数 表征谐振时因克服内摩擦而消耗的能量 6 机电耦合系数 表征机械能与电能相互转换能力
电介质材料(压电和铁电材料)

压电陶瓷材料Байду номын сангаас
锆钛酸铅系(PZT)陶瓷, 其化学式为Pb(Zrx, Ti1-x)O3, 是钙 钛矿结构的二元系固溶体,晶胞中B位置可以是Zr4+, 也可以 是Ti4+。居里点随锆钛比变化。根据器件的要求,可以选择 不同的锆钛比。 然而,锆钛酸铅系陶瓷在制备和使用过程中,都会给环 境和人类健康带来很大的损害。近年来,随着环境保护和人 类社会可持续发展的需求,研发新型环境友好的压电陶瓷已 成为世界各国致力研发的热点材料之一。2001年欧州议会通 过了关于"电器和电子设备中限制有害物质"的法令,并定于 2008年实施。其中在被限制使用的物质中就包括含铅的压电 器件。为此,欧洲共同体立项151万欧元进行关于无铅压电 陶瓷的研究与开发。美国和日本以及我国电子信息产业部也 相继通过了类似的法令,并逐年提高对研制无铅压电陶瓷项 目的支持力度。对新型无铅压电陶瓷的研究和开发也同样受 到了国内科技界与企业界的普遍关注。
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。
第三章 压电、热释电与铁电材料
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阻 抗
谐振
fm1
fn1
频率 f
LOGO
*2
(1)
晶体振荡电路
石英晶体的谐振特性与等效电路
石英晶体谐振器是晶振电路的核心元件, 其结构和外形如图7.12 所示。 石英晶体谐振 器是从一块石英晶体上按确定的方位角切 下的薄片, 这种晶片可以是正方形、矩形或圆形、 音叉形的, 然后将晶片的两个对应表面上涂敷银层, 并装上一对金属板, 接
各个能量的含义: 1 E U mm Sij TiT j;机械能密度。 2 1 T U ee mn Em En;介电能密度。 2 1 U me d mj EiT j;机械 -电相互作用能密度。 2
LOGO
工程技术上的含义: 机械能转变的电能 正压电效应:K 输入的机械能 电能转变的机械能 2 逆压电效应:K 输入的电能
Tj
- hmj Dm
压电刚度常数
C Si
开路弹性劲度常数
D ji
负号的含义
允许极化时,造成同等应变需要的应力降低
LOGO
正压电效应:D dT 逆压电效应:S [ d ] E
T
T
TE
S T
E
正压电效应:D eS 正压电效应:E - gT 逆压电效应:S [ g ] D
各向异性的情形: D1 11 E1 12 E2 13 E3 D2 21 E1 22 E2 23 E3 D3 31 E1 32 E2 33 E3
D1 11 12 D2 21 22 D 3 31 32
LOGO
(3)压电效应产生的条件
晶体结构没有对称中心。 压电体是电介质。 其结构必须有带正负电荷的质点。即压电体 是离子晶体或由离子团组成的分子晶体。
试说明压电体、热释电体、铁电体各自在晶体结构上的特点。
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试说明压电体、热释电体、铁电体各自在晶体结构上的特点。
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铁电体的三个基本特征
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铁电体的三个基本特征
铁电体是一种特殊的晶体材料,具有三个基本特征:铁电性、压电性和热释电性。
铁电性是铁电体最为显著的特征之一。
铁电体在外加电场的作用下,会出现极化现象,即在晶体内部会出现正负电荷分离的现象,形成电偶极矩。
这种极化是可逆的,即当外加电场消失时,电偶极矩也会消失。
铁电体还具有压电性。
当外力作用于铁电体时,晶体会发生形变,产生电荷分离,形成电偶极矩,从而产生电势差。
这种现象被称为压电效应。
压电效应是铁电体在传感器、振动器等领域中的重要应用。
铁电体还具有热释电性。
当铁电体受到温度变化时,晶体内部的电偶极矩也会发生变化,从而产生电势差。
这种现象被称为热释电效应。
热释电效应是铁电体在红外线探测器、温度传感器等领域中的重要应用。
铁电体具有铁电性、压电性和热释电性三个基本特征。
这些特征使得铁电体在电子器件、传感器、振动器等领域中有着广泛的应用前景。
铁电体、热释电体、压电体和介电体及其之间的关系
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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。
4.3(3)铁电性能解析

电畴“转向”
* 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“转 向”。 * 实际上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。
电滞回线
铁电体的电滞回线是铁电畴在外电场作用下运动的宏观描述
反铁电体
具有反铁电性的材料统称为反铁电体。
反铁电体与铁电体具有某些相似之处:晶体结构
4.3压电性、热释电性、铁电性 能 压电效应:
对压电晶体在一定方向上施加机械应力时,在其 两端表面上会出现数量相等、符号相反的束缚电 荷;作用力相反时,表面荷电性质亦反号,而且 在一定范围内电荷密度与作用力成正比,称为正 压电效应
反之,在一定方向的电场作用下,则会产生外形 尺寸的变化,在一定范围内,其形变与电场强度 成正比,称为逆压电效应-电致伸缩
钛酸钡晶体结构
BaTiO3自发极化方微观机理
铁电滞回线
铁电畴
铁电体自发极化的方向不相同,但在一个小区域内, 各晶胞的自发极化方向相同,这个小区域就称为铁 电畴。 两畴之间的界壁称为畴壁。 铁电畴壁的厚度很薄,大约是几个晶格常数的量级。 (90°畴壁50~100Å, 180°畴壁5~20Å)
值,即降低-T非线性,也使工作状态相应于ε~T平
缓区。
实际应用
• 铁电体可用来作信息存储、图象显示。 • 利用晶体的电光效应可制作光调制器、晶体 光阀、电光开关等光器件。
铁电材料的特征
3、居里点Tc:铁电材料重要参数
通常铁电体的自发极化只在一定温度范围内呈 现,当温度高于某一临界温度Tc时,自发极化 消失。 Tc以下,局部电场作用大于热激发,偶极子趋 于平行排列而出现铁电畴; Tc以上,热激发大 于局部电场作用,偶极子趋于无序排列而变为 顺电相。
材料的压电性与铁电性能.ppt

•电磁波无法穿越海水 •声波很容易在海里行进
继承人:蓝杰文 (ngevin)
利用石英的压电效应 制成水下超声探测器
如今:
•声纳 •反潜 •海底通讯 •电话通讯 •医学诊断:超声波成像术、全像摄影术、
计算机辅助声波断层摄影术
材料的压电性能与铁电性能
第一节 压电性能
一、压电效应的基本原理
(1) 不具有自发极化特性,但为不对称中心结构,在外力的 作用下,产生极化。
正压电效应
逆压电效应
-------
+++++
极化方向
-----
+++++++
释放电荷
-------------
+++++
极化方向
-----
+++++++++++++
材料的压电性能与铁电性能
二、压电性能的主要参数
1、介电常数
介电常数反映了材料的介电性质(或极化性质)即:
D ijE
不同机械条件时,测得的介电常数不同。
①当作用力方向改变时,电荷的极性也随之改变。有时人们把这 种机械能转换为电能的现象,称为“正压电效应”。
②相反,当在电介质极化方向施加电场,这些电介质也会产生几 何变形,这种现象称为“逆压电效应”(电致伸缩效应)。
材料的压电性能与铁电性能
压电效应
具有压电效应的材料称为压电材料,压电材料能实现机—电 能量的相互转换。
tan IR / IC 1 / (CR)
式中:ω为交变电场的角频率; C为介质电容; R为损耗电阻;
压电、热释电和铁电介质材料

数学定义式:K Ume U mm Uee
各个能量的含义:
U mm
1 2
SiEj TiT
;机械能密度。
j
U ee
1 2
T mn
Em
En;介电能密度。
U me
1 2
dmj
EiT
;机械
j
电相互作用能密度。
LOGO
工程技术上的含义:
正压电效应:K
2
机械能转变的电能 输入的机械能
逆压电效应:K 2
电能转变的机械能 输入的电能
LOGO
2)压电效应的物理机制
压电材料包括压电单晶、压电陶瓷、压电薄膜和压电高分子材料。
1.压电单晶
晶体内部正负离子的偶极矩在外力的作用下由于晶体的形变而 被破坏,导致使晶体的电中性被破坏,从而使其在一些特定的方 向上的晶体表面出现剩余电荷。
LOGO
2)压电效应的物理机制
2.压电陶瓷
压电陶瓷的压电效应机理与压电单晶大不相同,未经极化处理 的压电陶瓷材料是不会产生压电效应的。压电陶瓷经极化处理后, 剩余极化强度会使与极化方向垂直的两端出现束缚电荷(一端为 正,另一端为负),由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面 吸附一层来自外界的自由电荷,并使整个压电陶瓷片呈电中性。 当对其施加一个与极化方向平行或垂直的外压力,压电陶瓷片将 会产生形变,片内束缚电荷层的间距变小,一端的束缚电荷对另 一端异号的束缚电荷影响增强,而使表面的自由电荷过剩出现放 电现象。当所受到的外力是拉力时,将会出现充电现象。
K 2并非能量转换效率: 因为在压电体中未被转化是以机械能或电能
的形式可逆的存储在压电体内的那部分能量
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2 介电常数 ε
反应了材料的介电性质或极化性质。
驻极体材料及其应PPT推荐版

• 随着对驻极体研究的深入和新材料的连续发现,它会像永磁体一样, 被广泛应用。
• 能制成驻极体的有天然蜡、树脂、松香、 驻极体不能像电池那样从中取出电流,然而却可以提供一个稳定的电压,因此是一个很好的直流电压源。
压电、热释电与铁电材料的定义
• 压电材料:压电材料是受到压力作用时会在两端面间 出现电压的晶体材料。
• 热释电材料 :热释电效应指的是电介质的极化随温度 改变的现象 ,具有热释电效应的材料叫做热释电材料。
• 铁电材料 :铁电材料,是热释电材料中的一类。其特 点是不仅具有自发极化,而且在一定温度范围内,自 发极化偶极矩能随外施电场的方向而改变。
• 驻极体的极化强度远小于其中所有偶极子都排列一致时所 至于一种晶体是否是铁电体,我们并不能根据其内部结构的对称性来预测,只能通过实验来测定。 产生的饱和强度。但是在一些驻极体中还能得到大约10 当驻极体膜片遇到声波振动时,引起电容两端的电场发生变化,从而产生了随声波变化而变化的交变电压。
-
μC/m2的极化强度。 膜片的另一面2与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离开。
驻极体
将电介质放在电场中就会被极化。
许多电介质的极化是与外电场同时存在同 时消失的。
也有一些电介质,受强外电场作用后其极 化现象不随外电场去除而完全消失,出现 极化电荷“永久”存在于电介质表面和体 内的现象。
这种在强外电场等因素作用下,极化并能 “永久”保持极化状态的电介质,称为驻 极体,又叫永电体。
子聚合物(例如K-1聚碳酸酯、聚四氟乙 这在制造电子器件和电工测量仪表等方面是大有用处的。
电滞回线能够比较直观的反应最大极化强度,剩余极化强度,矫顽电场等值的大小,并且能够根据电滞回线积分计算得出该材料的储 能密度。
材料性能学第十二章 材料的压电性能与铁电性能

为什么用实验方法很难发现具有自发极化的晶 体所带电荷
因为自发极化建立的电场吸引了晶体内部和外 部空间的异号自由电荷,在晶体表面形成一个 表面电荷层,结果自发极化建立的表面束缚电 荷被吸引来的表面自由电荷所屏蔽.但是,改 变温度或者施加应力产生变形时,由于离子间 距和键角发生变化,自发极化强度Ps也将发生 变化。这时被自发极化束缚在表面的自由电荷 层就有一部分可以恢复自由而释放出来,使晶 体呈现出带电状态或在闭合电路中产生电流。 这就是热释电效应和压电效应.
铁电体的特性
✓电滞回线
✓居里点
✓具有临界特性
电滞回线
✓ 铁电体的电滞回线是铁电畴在外电场作 用下运动的宏观描述
✓ 反铁电体一般宏观无剩余极化强度,但 在很强的外电场作用下,可以诱导成铁 电相,其P-E呈双电滞回线。
居里温度
由热力学定律可知,压电晶体的Gibbs自由能可 表达为
G=U-TS-TiSi-EiPi 式中:G为Gibbs自由能;U为内能;T为绝对温 度;S为熵;Ti为应力;Si为应变;Ei为电场强度;Pi 为极化强度.若不施加应力时,则有
压电效应机理示意图
压电性能的主要参数(自学)
介电常数 介质损耗 弹性系数 压电常数 机械品质因素 机电耦合系数
压电材料及其应用
上世纪自40年代中期出现了BaTiO3陶瓷以 后,压电陶瓷的发展较快。两个分支:一是 晶体和陶瓷材料;另一是柔性材料(高分子 聚合物)。 有钛酸钡 、钛酸铅 、锆酸铅 、锆钛酸铅 、 其它压电陶瓷材料
2.热释电性能表征 热释电效应的强弱可用热释电系数
来表示.
P pT
P为热释电系数,单位 为C·cm-2·K-1
热释电系数的种类
当晶体处于夹持状态时,由于晶体受热其尺寸和形 状不变,所以,称这种状态下的热释电系数为恒应变 热释电系数或一级热释电系数pS.
电介质材料压电热释电铁电介质材料
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剩余极化强度
剩余伸长 (c)极化处理后
电极
----- +++++
极化方向
----- 电极 + + + + +
自由电荷 束缚电荷
陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附
旳自由电荷示意图
22
假如在陶瓷片上加一种与极化方向平行旳压力F, 如图,陶瓷片将产生压缩形变(图中虚线),片内旳正、 负束缚电荷之间旳距离变小,极化强度也变小。所以, 原来吸附在电极上旳自由电荷,有一部分被释放,而出 现放电荷现象。当压力撤消后,陶瓷片恢复原状(这是 一种膨胀过程),片内旳正、负电荷之间旳距离变大, 极化强度也变大,所以电极上又吸附一部分自由电荷而 出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应,就是正 压电效应。
早在 1984 年,美国科学家将 PVDF 薄片安顿在生物体上,以生 物体呼吸时肋骨伸张运动所产生旳能量作为研究基础,将生物体 运动时产生旳能量转换为电能,驱动外部设备。压电式发电器装 置固定在狗肋骨上,利用狗旳自然呼吸可产生 18V 电压,能量 17uW。优化 PVDF 压电换能元件形状,同步设计更适合贴在动物 肋骨上旳辅助设备,最终测试发觉输出能量能够到达1mW。
十八世纪初,荷兰商人将这种电气石引入欧洲,被称为锡兰磁石。
1756年,德国物理学家 Aepinus(电容器发明者)研究电气石产生 电旳行为,第一次观察到温度变化引起旳电极化现象。
1824 年,苏格兰物理学家 D.Brewster将这种产生电旳行为称为热电 性。1817 年,法国矿物学家 RenéJust Heuy 第一次提到了压电效应。
1947 年美国旳 Roberts 发觉了钛酸钡(BaTiO3)旳压电性,使得 多晶材料得到发展。取得压电性所需旳极性能够经过临时施加电场 旳措施,从一块各项同性旳多晶陶瓷得到。
电子材料的压电性能与铁电性能
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第二节 热释电与铁电性能
(2)逆热释电效应或电生热效应 对热释电晶体绝热施加电场时,其温度将发生变化
(3)热释电红外敏感元件 ①能充分吸收入射的红外线 ②热释电材料比热应小,且方便加工成薄膜化元件 3 热释电材料 PbTi03和PZT陶瓷、硫酸三甘肽TGS和LiTiO3单晶 用于非接触测量旋转体和高温体的温度
二 压电振子与压电方程
1 压电振子及其特征频率 (1)压电振子的基本概念
压电振子固有振动频率fr
(2)最小阻抗频率fm
振子阻抗为最小的频率
(3)最大阻抗频率fn
振子阻抗为最大的频率 (4)有损耗的压电振子等效
电路图
压电性能
第一节
(5) 特征频率的含义
压电性能
第一节 压电性能
2 边界条件 机械边界条件:机械自由,机械夹持 电学边界条件:电学短路,电学开路 压电振子共有四类边界条件
1 电光行为分区
(1)二次电光效应区:处于铁电和顺电的相界,在SFE 区,组成有8.8/65/35、9/65/35、8/70/30
(2)记忆效应区:具有电驱动光开关效应,处于FERh斜 方铁电相区,组成有7/65/35和8/65/35
第一节 压电性能
三 压电性能的主要参数
1 介电常数 反映材料的介电性质(或极化性能)
2 介质损耗 表征介电发热导致的能量损耗
3 弹性系数 压电体是一个弹性体,服从虎克定律
4 压电常数 机械能转变为电能或电能转变为机械能的转换系数
5 机械品质因数 表征谐振时因克服内摩擦而消耗的能量
6 机电耦合系数 表征机械能与电能相互转换能力
1、压电常数d33
压电常数是反映力学量(应力或应变)与电学量 (电位移或电场)间相互耦合的线性响应系数。
电介质材料(压电与铁电材料1)
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Guangdong Ocean University
Xiong Zhengye
压电陶瓷的特点是: 压电常数大,灵敏度高; 制造工艺成熟,可通过 合理配方和掺杂等人工 控制来达到所要求的性 能;成形工艺性也好, 成本低廉,利于广泛应 用。 压电陶瓷除有压电性外,还具有热释电性。因此它可制作热 电传感器件而用于红外探测器中。但作压电器件应用时,这会给 压电传感器造成热干扰,降低稳定性。所以,对高稳定性的传感 器,压电陶瓷的应用受到限制。 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye
Guangdong Ocean University Xiong Zhengye
(4 ) 机械耦合系数:在压电效应中 , 其值等于转 换输出能量(如电能)与输入的能量(如机械能) 之比的平方根 ; 它是衡量压电材料机电能量转换 效率的一个重要参数。
( 5 ) 电阻:压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏 , 从而改善压电传感器的低频特性。 ( 6 ) 居里点:压电材料开始丧失压电特性的温度 称为居里点。 (7)机械品质因数:压电振子在谐振时在一周期内 贮存的机械能与损耗的机械能之比。
电介质材料 Dielectric Materials
(piezoelectric material )
Guangdong Ocean University
Xiong Zhengye
压电热释电铁电材料81页PPT
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6、最大的骄傲于最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂,怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——笛卡儿
33、如果惧怕前面跌宕的山岩,生命 就永远 只能是 死水一 潭。 34、当你眼泪忍不住要流出来的时候 ,睁大 眼睛, 千万别 眨眼!你会看到 世界由 清晰变 模糊的 全过程 ,心会 在你泪 水落下 的那一 刻变得 清澈明 晰。盐 。注定 要融化 的,也 许是用 眼泪的 方式。
35、不要以为自己成功一次就可以了 ,也不 要以为 过去的 光荣可 以被永 远肯定 。
Tha,我笑他人看不 穿。(名 言网) 32、我不想听失意者的哭泣,抱怨者 的牢骚 ,这是 羊群中 的瘟疫 ,我不 能被它 传染。 我要尽 量避免 绝望, 辛勤耕 耘,忍 受苦楚 。我一 试再试 ,争取 每天的 成功, 避免以 失败收 常在别 人停滞 不前时 ,我继 续拼搏 。
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上述坐标是以四方相的原胞边长为单位, a=3.99Å,b=4.03Å。氧离子的相对位移情 况如图所示。从图可见,Ti沿c轴正向移动, OI沿c轴负向移动,因而Ti和“上”方OI间 距缩短,和“下”方的OI间距伸长。
把OII的位臵取在c/2处作为相对位移的基 准,室温下得到的衍射数据列于表8—1 中;在正交相中,Ba、Ti和O的相对位移 列于表8—2中。
居里-外斯常数的大小
按居里-外斯常数的大小分类,这种分类法有利于研究 铁电体的相变机制。居里-外斯常数C 大约在105数量 级的为第一类。这类铁电体的微观相变机制属于位移 型,它主要包括钛酸钡等氧化物形铁电体。近来发现 的SbSI是这一类中的唯一例外,它不是氧化物。C 大 约在103数量级的为第二类,这类铁电体的微观相变机 制属于有序-无序型,主要包括KDP、TGS、罗息盐和 NaNO2等。C数量级大约在10的为第三类铁电晶体, 属于这一类的典型晶体是(NH4)2Cd2(SO4)3。这类铁 电体的相变机制目前尚未详细研究,也无专门的名称。
立方相 -> BaTiO3
<- 四方相
<- 立方相
PbTiO3
<- 四方相
在温度低于1460℃,高 于120℃时,BaTiO3属于 立方晶系m3m点群,不 具有铁电性。温度降至 120℃时,其结构转变 为四方晶系4mm点群,c 轴略有伸长, c/a≈1.01.自发极化沿 c轴方向具有明显的铁 电性质。
铁电晶体的分类
至今已经发现的铁电晶体有一千多种。 它们广泛地分布于从立方晶系到单斜晶系 的10个点群中。 它们的自发极化强度从10-4C/m2到1C/m2; 它们的居里点有的低到-261.5C(酒石酸 铊锂),有的高于1500C。
单轴铁电体,多轴铁电体
根据铁电体的极化轴的多少分为两类。一 类是只能沿一个晶轴方向极化的铁电体, 如罗息盐以及其它酒石酸盐,磷酸二氢钾 型铁电体,硫酸铵以及氟铍酸铵等。另一 类是可以沿几个晶轴方向极化的铁电体 (在非铁电相时这些晶轴是等效的),如 钛酸钡、铌酸钾、钾铵铝矾等。这种分类 方法便于研究铁电畴。
电畴与晶体对称性
按照软模理论,铁电有序是软模(光 学横模或赝自旋波)冻结的结果。该 软模的波矢为零,故整个晶体呈现均 匀极化,全部偶极子沿同一方向(特 殊极性方向)排列。 这种单畴晶体的对称性即为铁电相的 对称性。
但是我们知道,在顺电相中,有若干个 方向与极化强度出现的方向对称性等效。 因为这些方向在晶体学上和物理性质方 面都是等同的,可以预料,晶体各部分 的自发极化沿这些方向取向的概率是相 等的。这表明铁电体将分成为电畴,而 且从整体上看,多畴晶体的对称性等于 顺电相的对称性。
表:
-10℃时BaTiO3原胞中各离子沿c轴方向的相对位移和Ti-O
键间距(δXOII =0)
位移(Å)
Ti-O键间距(Å) 晶格常数(Å)
δXOI +0.07 δXTi +0.13 δXBa +0.02
Ti-OII Ti-OII Ti-OI
1.90 2.11 2.00
a=5.682 b=5.669 c=3.990
铁电的理论解释
钛酸钡的Slater理论 KDP 的Slater理论
Slater-Devonshire theory for BaTiO3
BaTiO3的稳定态是钙钛矿结构,120C以下 显示出铁电性。钙钛矿结构的化学分子式为 ABO3,其中A代表二价或一价金属,B四价或 五价金属;其结构特点是具有氧八面体结构, 在氧八面体中央为半径较小的金属离子,而 氧又被挤在半径较大的金属离子中间。
是否有对称中心
根据铁电体在非铁电相有无对称中心亦可 分为两类。一类铁电体在其顺电相的晶体 结构不具有对称中心,因而有压电效应。 如钽铌酸锂、罗息盐、KDP族晶体。另一类 铁电体,其顺电相的晶格结构具有对称中 心,因而不具有压电效应,如钛酸钡、铌 酸钾以及它们的同类型晶体。这种分类方 法便于铁电相变的热力学处理。
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
成分和结构
根据晶体成分和结构特征,可把铁电晶体 分成两类。一类是含有氢键的晶体,如KDP 族、TGS、罗息盐等。这类晶体的特点是可 溶于水、力学性质软、居里点温度低、溶 解温度低,常称“软”铁电体。另一类是 双氧化物晶体,如钛酸钡、铌酸锂等晶体。 它们的特点是不溶于水、力学性质硬、居 里点温度高、溶解温度高,常称为“硬” 铁电体。
当温度降至0℃(±5℃) 附近,晶格结构转变为 正交晶系2mm点群,具有 铁电性,自发极化沿原 来立方晶胞的[011]方向。 通常把正交晶系的a轴取 在极化方向上,正交晶 系的b轴取相邻立方晶胞 的[01]方向,并于a轴垂 直,c轴垂直于a轴和b轴 并平行与原立方晶胞 [100]方向。
当温度降至-80℃时,晶格结构变为三角晶 系的3m点群,仍具有铁电性,自发极化沿 原立方晶胞的[111]方向。三角晶胞的三个 边相等,a=b=c,角α=89°52’。 BaTiO3在 不同温度范围内的单位晶胞和自发极化方 向的改变示于图8—2中。图(b)(c)(d)中的 虚线表示原顺电相时的立方晶胞,粗箭头 表示自发极化的方向。
上世纪70年代初期,人们在锆钛酸铅材料二 元系配方Pb(ZrTi)O3大基础上又研究了加入 第三元改性的压电陶瓷三元系配方,如铌镁 酸铅系为Pb(Mg1/3Nb2/3)(ZrTi)O3,可广泛用 于拾音器、微音器、滤波器、变压器、超声 延迟线及引燃引爆方面。如铌锌酸铅系 Pb(Zn1/3Nb2/3)(ZrTi)O3,主要用来制造性能 优良的陶瓷滤波器及机械滤波器的换能器。
钙钛矿化合物大多数具有铁电性(如 PbTiO3、KNbO3 和KTaO3等),可能与结构 上的这些特点有关。 钙钛矿结构的铁电晶体其顺电—铁电相 变都是属于位移相变,而是BaTiO3位移型 铁电体的典型代表。
在BaTiO3晶体中,氧形成氧八面体,氧离子 半径较小,氧的离子半径RO=1.32Å。四价 金属离子Ti4+位于氧八面体中心, RTi=0.64Å。二价金属离子Ba2+位于氧八面 体之间的间隙里,离子半径较大, RBa=1.43Å。
1955年,美国B.Jaffe等人发现了比BaTiO3 压电性更优越的PZT压电陶瓷,促使压电器 件的应用研究又大大地向前推进了一大步。 BaTiO3时代难于实用化的一些用途,特别 是压电陶瓷滤波器和谐振器,随着PZT的问 世,而迅速地实用化,应用声表面波(SAW) 的滤波器、延迟线和振荡器等SAW器件,在 七十年代后期也取得了实用化。
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。
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: 钛离子多个平衡位臵的自发极化理论,认 为BaTiO3在其顺电相结构中钛离子具有多 个平衡位臵,在温度低于居里点时,钛离 子占据某个平衡位臵几率大得多,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。
表:室温下BaTiO3原胞中各离子沿c轴的位移和离子间距
位移(Å)
Ti-O键间距(Å) Ba-O键间距(Å)
δZOI -0.04 δZTi +0.01 δZBa +0.05
Ti-OI (上) 1.86 Ti-OI(下) 2.17 Ti-OII 2.00
Ba-OI Ba-OII Ba-OII
2.82 2.80 2.88
后来,人们又在三元系压电陶瓷 配方基础上又研究了四元系压电陶瓷材 料,如: Pb(Ni1/3Nb2/3)(Zn1/3Nb2/3)(ZrTi)O3, Pb(Mn1/2Ni1/2)(Mn1/2Zr1/2)(ZrTi)O3等, 可用来制造滤波器和受话器等。
什么是铁电体
铁电体主要特征
典型的铁电材料的主要物理性质
铁电材料的分类
反铁电体
基本定义
具有自发极化强度(Ps)Spontaneous
Polarization
自发极化强度能在外加电场下反转,
Switchable
Ps
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。
x-射线分析表明,在相变温度以下,反铁 电体中存在超结构线(即附加的衍射线)。 这种超结构表示反铁电体中,晶体结构是 由两种子晶格交错而成的,而子晶格之间 沿相反方向极化。