铁电性基础(1)
铁电体的第一性原理研究进展PPT课件
国内外研究现状
Cohen首次采用第一性原理计算BaTIO3和PbTIO3的电子密度,表明Ti的3d电子 和O的2P电子波函数有显著的交叠,而且铁电情况下的交叠比顺电情况更强, 进而得出结论:对于ABO3结构的钙钦矿型铁电体,B离子的d电子与氧离子的 2p电子之间存在比较强的轨道杂化,这种轨道杂化抑制了短程排斥力从而使 铁电性得以稳定。
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。
2．Gaussian98程序包。Gaussian98程序包中包含许多种计算方法，包括半经验及第一性 原理计算方法等。它是一个功能全面的计算程序包。它的主要处理对象是有机大分子体系， 计算时主要对单一大分子体系的各种性质进行计算。能给出有机分子的振动模式及反应过 程的信息。它的缺点是对含有重金属原子体系的计算几乎无法进行。
研究热点
尺寸效应和表面界面效应
金属或半导体电极间的铁电薄膜 铁电聚合物和复合材料的研究
写在最后
成功的基础在于好的学习习惯
The foundation of success lies in good habits
17
谢谢聆听
·学习就是为了达到一定目的而努力去干, 是为一个目标去 战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折
铁电特性
64KB的串行存储器特性164K位的非易失性铁电随机存储器组织结构为8192*8位读写寿命为100亿次掉电数据保存10年写数据无延时2快速两线串行协议总线速度可以达到1MHZ硬件上可以直接替换EEPROM 3低功耗操作工作电压为5V工作电流为150uA待机电流10uA4工业标准工业温度-40到+80 8脚---DIP和SOIC描述FM24C64是用先进的铁电技术制造的64K位的非易失性的记忆体铁电随机存储器FRAM是一种具有非易失性并且可以象RAM一样快速读写数据在掉电可以保存10年且比EEPROM或其他非易失性存储器可靠性更高系统更简单不象EEPROM FM24C64以总线速度进行写操作无延时数据送到FM24C64直接写到具体的单元地址下一个操作可以立即执行FM24C64可以承受超过100亿次的读写或者是比EEPROM高一万倍的写操作FM24C64的写能力使得它在需要对非易失性记忆体快速读写的状况下非常理想举例说数据采集系统中对写入数据的频率要求高即速度要求非常快使用EEPROM可能丢失数据这种优势合并使得系统可以更可靠的实时采集数据FM24C64为使用串行EEPROM的用户提供了便利它在硬件上可以直接替换EEPROM引脚定义总体概述FM24C64是一种串行非易失性记忆体 它的逻辑结构为8192*8位 接口方式为工业标准的两线接口 与串行EEPROM 的功能操作相似 不同之处在于 铁电存储器比EEPROM 写的速度快的多 无延时记忆体架构FM24C64内部地址可分为8192个字单元 每个字单元为8位 数据被串行移动 它使用两线协议 包括一个从地址 区别其他存储器或器件 一个页地址和一个字地址每256个地址 被指定为一个8位的字地址 每256个地址为一页 FM24C64为32页页地址 选择页位为5位 完全地址为13位 每个字节地址都是唯一的FM24C64大多数的功能是由两线协议或根据板上电路来操作 记忆体以两线总线速度来执行读/写操作 FM24C64不像EEPROM 它不必等写周期出现就可以把自身置在一个等待状态 一个新的数据交换周期来到时 另外一个操作已经完成与EEPROM 相比较FM24C64的快速性与高擦写次数 EEPROM 是无法比拟的 举个例说 在一个高噪声环境下 EEPROM 受干扰的可能性大 因为FM24C64完成得快 而EEPROM 写 数据需要几个毫秒需要指出的是FM24C64没有类似内部电源管理电路 上电复位 因此 用户应保证电源电压 VDD 在数据表规定的范围内 防止误操作两线接口FM24C64的通讯方式是双向两线协议 脚位少 占用线路板空间小 图2描述了FM24C64在微处理器系统中的典型配置为了便利 往总线上送数据的部件叫发送者 接受数据的叫接受者 控制总线的叫主机 主机为所有操作产生时钟 在总线上被控制的叫从机 FM24C64永远都是从机 两线协议即是总线上的所有的操作都是由SDA 和SCL 两个脚位的状态来确定的 有四个状态 开始 停止 数据以及应答 图3描述了四个状态的时序图停止当主机把SDA从低电平拉高同时SCL信号为高时为停止条件所有的操作在此条件下退出为了宣布停止主机必须控制SDA开始当主机把SDA从高电平拉低SCL信号为高电平为开始条件所有的读写操作均由开始条件开始任何时候的操作都可由开始条件退出开始一个新操作在操作过程中电压降低到规定电压的最低值以下系统会发出一个开始条件数据/地址传送:所有数据传送包括地址都应在SCL 为高电平时除了以上两种情况SDA 在SCL为高时不能改变应答应答出现在第8位数据位被传输之后在传输期间SDA线被允许由接受者驱动接受者驱动SDA为低电平以确认收到一个字节数据如果接受者没有把SDA拉低即无应答操作退出接受者可能因为两个原因不做应答1如果一个字节传送失败无应答结束当前操作可以对这个部件再次寻址发生错误的上一个字节会被允许覆盖掉2接受者有意结束操作不做应答举例说在读操作中FM24C64接受者应答后就把数据送到总线上读操作完成不需要进行其他操作接受者不做应答如果接受者做出应答将导致FM24C64在当主机送新的操作命令时例如停止命令试图在下一个时钟周期驱动总线物理地址:FM24C64在开始条件后接受的第一个字节是物理地址就象图4列出的物理地址包括部件类型器件选择被访问的页面还有一位是读写控制位位7—4是部件类型FM24C64为1010B部件类型用以区分挂在两线接口上各种功能部件位3-1为页选择位0为读写控字地址:在FM24C64接受者应答装置地址后主机将把记忆体地址送到总线上进行一个写操作地址需要两个字节第一个是高位字节MSB因为记忆体只使用了13位地址高3位没有使用第2个是低八位字节LSB 保存8位地址地址被内部锁存每一次访问后FM24C64内部地址锁存计数器递增当前的地址是被锁存的值或是最写入的或是下一个要访问的地址只要电源恒定或是没有新的数据写入当前的地址不变读总是使用当前地址一个随机读操作可以由以下阐述的方式先执行一个写操作即能开始每一个字节传送后在应答之前FM24C64内部地址锁存计数器递增这样在没有另外的寻址要求就可以访问下一个顺序地址在最后一个地址1FFFH到达后地址计数器的内容又回到0000H在一个读写操作中没有字节数的限制数据传送:地址信息被传送后主机和FM24C64之间的数据交换开始进行一个读操作FM24C64将把8位数据放到总线上然后等待应答应答出现开始下一个传送应答不出现读操作退出对于写操作FM24C64接受8位数据后给出应答所有数据首先产生最高有效位记忆体操作:FM24C64被设计成和其他2线接口记忆体产品相似的操作方式最主要的不同是FRAM技术所生成的写能力读写操作如下写操作:所有写操作开始一个从机地址和一个字地址主机通过设置从地址的最低有效位为0来表示一个写操作寻址后主机送每个字节到记忆体记忆体产生应答任何数量的顺序字节可被写入如果地址到最后一个字节地址计数器从1FFFH翻转到0000H不象其他的非易失性技术FRAM 没有写延时整个记忆体周期比单纯总线时钟还短这样任何操作包括读写能跟随写操作记忆体写操作出现在第8位数据被传送以后在确认送出之前完成那样如果用户需要退出写操作又不变更记忆体内容应该在第8位数据之前用开始或停止条件FM24C64不需要页缓冲记忆体可以用WP脚作写保护把WP拉高VDD写保护地址从1800H到1FFFH FM24C64将不会应答写入被保护的地址的数据另外地址计数器也不会递增WP拉低这些特性不起作用WP脚位不应悬空图5描述的是单字节和多字节的操作读操作:有两种基本类型的读操作当前地址读和可选地址读在当前地址读FM24C64使用内部锁存器提供低八位地址在可选地址读操作用户执行一个步骤设置低位地址为指定值当前地址顺序读FM24C64使用内部锁存器时低八位地址进行读操作当前地址读使用在地址锁存器中的值作为读操作开始地址执行当前读操作主机提供从地址把LSB置为1页选择位用于指定记忆体的页面应答后FM24C64将开始从当前地址移出当前地址是从机地址位加上内部锁存器位合成的地址由当前地址开始主机能随意读写任意的字节数这样顺序连读即是当前连读数据在内部地址计数器将连续递增每次主机确认一个字节随后FM24C64就可以读下一个连续的字节有四种方式可以正确的终止读操作失败地终止读操作就相当于FM24C64试图在总线上读出另外的数据四种可行方式如下11)主机在第9个时钟周期不应答在第十个时钟周期停止22)主机在第9个时钟周期不应答在第十个时钟周期开始33)主机在第9个时钟周期停止可能导致总线竞争44)主机在第9个时钟周期开始可能导致总线竞争如果内部地址到1FFFH下一个周期翻转到0000H图7和8为当前地址读的正确操作选择随机读一个单纯的技术允许用户选择随机地址作为读数据的起点包括首先使用两个字节的写操作来设置内部地址字节执行选择性读操作主机送出从地址把LSB置0这样就指定出一定写操作根据写数据协议然后主机送字地址调进内部地址锁存器FM24C64应答字节地址后主机发出开始命令这同时退出写操作以及允许读命令被发出从地址LSB置1操作现在为当前读地址这个操作说明在图9中持久性和数据保存:数据保存参数在以下的电参数规格书中FRAM操作均有读和机械性存储所以读写次数与每一次读写都有关系FRAM 结构是基于行与列的排布行为A10—A3每次访问,对每一行都要减少一次寿命在不同的行确保平均的访问记忆体可以优化记忆体的持久性使其非易失性发挥到最大不管怎样FRAM读写次数在总线操作频率在400KHZ时无限制即使每秒访问30次100亿次的寿命到时10年已过去了应用:铁电技术的优势可适用于广泛的领域很明显除了一次编程应用的其他所有领域铁电记忆体在读写次数以及快速性均比EEPROM更具优势最为明显的是在采集领域中要求写的频率高且数据掉电不丢失11)数据采集在数据采集和存储领域中FRAM 提供了一种极具优势的方案这个方案比SRAM加后备电池更经济以及比EEPROM有更好的写特性22)配置任何非易失性记忆体能保留一些配置但是FRAM的高写入次数使得其可以无限制的保持参数不用为参数随时更改有更多的考虑电源掉电时FRAM 的高速写入解决了数据丢失的烦恼33)高噪声环境高噪声环境写数据对EEPROM来说极具挑战性在噪声和电源波动环境中EEPROM由于写入时间要几个毫秒太容易受干扰而FRAM写的速度非常快噪声和电源波动来不及干扰444)有快速要求的环境在一个复杂的系统中多个软件需要访问非易失性记忆体EEPROM的延时为这种环境中的软件研发增加了许多不适当的复杂性每个软件例行访问下一个例行程序都必须等待一个完整的程序当快速性要求很严格时FRAM就减少了这种复杂性FM24C64不需要等待55)RF/ID在无接触记忆体领域FRAM提供了完美的方案因为RF/ID 记忆是通过RF方式供电EEPROM的长时间和大功耗使得它不太适合这个领域6)保存轨迹在一个高度复杂的系统中系统状态和操作记录在系统失败时是很重要的数据FRAM的高写入次数特点使数据记录得以实现能做一个完美的系统日志另外FM24C64 的两线协议可以少占用系统资源。
铁电性(材料物理性能)
BaTiO3单晶电畴结构的差异，导致两
者之间在铁电性质方面的微小差别。
2211
第二十一页，共24页。
3）电滞回线的意义
A.判定铁电体的依据
铁电材料在外加交变电场作用下都能形成电滞回线，不同材料和不同工艺条件对 电滞回线的形状都有很大的影响。
B.由于有剩余极化强度，因而铁电体可用来作信息存储、图象显示。
AO
铁电体微观结构的特点决定了它有许多特殊
E
的宏观性质，从而区别于普通电介质。
铁电电滞回线(Ps为自发极化强度，Ec为矫顽力）
1144
第十四页，共24页。
A.施加电场
➢沿电场方向的电畴扩展，变大；而
P
Ps B
C
与电场反平行方向的电畴则变小。极 化强度随外电场增加而增加，如图中
oA段曲线。
Pr Ps Pr
压峰效应
如在BaTiO3中加入Bi2/3SnO3 ，其居里点几乎完 全消失，显示出直线性的温度特性可认为其机理是 加入非铁电体后，破坏了原来的内电场，使自发极 化减弱，即铁电性减小。
压峰的目的 为了降低居里点处的介电常数的蜂值，即降低ε-T非线性，也使工
作状态相应于ε-T平缓区。
2244
第二十四页，共24页。
顺电性晶体与铁电性晶体的转变温度称为铁电居里点t时铁电相转变为顺电相电滞回线消失这时p与e一般有线性关系p二铁电体的居里外斯定律居里点附近居里外斯定律为忽略12指铁电体的微观结构性质以及因此而可能显示出来的宏观性质指铁电体的微观结构性质以及因此而可能显示出来的宏观性质电滞回线电畴结构自发极化以及相应的晶胞形变自发应变居里点居里外斯定律等
+
铁电体的三个基本特征
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。
(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。
铁电体定义、特征和基础知识
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。
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。
35
表6-1给出了部分铁电晶体的分子式、居里 点和自发极化强度。 对于晶格结构和特性差异如此之大的各种 铁电体，要对它们做完善的统一分类是不 容易的。 到目前。
铁电体定义、特征和基础知识
1
➢什么是铁电体， ➢开关特性，Sawyer-Tower 电路 ➢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
2
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
36
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。
27
铁电性(材料物理性能)
• •
Ti4+
O-
•° • •• • • ° • • •° • • •
7
°
•
•
例2：具有极性轴或结构本身具有自发极化的结构 + + + + + 正 电 荷 层 与 负 电 荷 层 交 替 排 列
固 有 偶 极 子
+ +
+
+ -
+
+ -
+
+
纤锌矿(ZnS)结构在（010）上投影
一、铁电体
是一类特殊的电介质材料，在一定温度范围内含有能自发极化，并且 发极化方向可随外电场作可逆转动的晶体。
1、铁电体的特点
1）铁电体是非线性介质 即极化强度和外施电压的关系是非线性的。
P 0 E
备注：线性介质
没有外加电场时，介质的极化强度等于零。 有外电场时，介质的极化强度与宏观电场E 成正比。
1
2）铁电体是极性晶体
即其极化状态并非由外电场所引起，而是由晶体内部结构特点所 引起，晶体中每个晶胞内存在固有电偶极矩。
注意：铁电晶体一定是极性晶体，但并非所有的极性晶体都是铁电体
2
3）铁电体的极化是自发极化
A.按相转变的自发极化机构铁电体分两类 ：
第一类是位移型，其自发极化同一类离 子的亚点阵相对于另一类亚点阵的整体 位移相联系。 位移型铁电体的结构大多同钙钛矿结构 及钛铁矿结构紧密相关。钛酸钡是典型 的钙钛矿型的铁电体。 Ba2+ Ti4+ O-
• •
•
•
°
°
•
•
O-
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)。
铁电材料中的铁电性质研究
铁电材料中的铁电性质研究铁电材料是一种具有特殊性质的材料，其在应用领域具有广泛的应用前景。
铁电材料是指在特定的温度和压力下，具有同时存在铁磁性和电介质性质的材料。
在这些材料中，电子、离子和晶格之间的相互作用导致了远距离的有序排列，使得材料具有铁电性质。
铁电性质是指在电场作用下，材料具有电偶极矩产生的极化效应。
本文将从铁电材料基础性质、铁电材料中的铁电偶极矩与电场相互作用以及铁电材料研究的未来发展等几个方面来深入探讨铁电材料中的铁电性质研究。
一、铁电材料基础性质铁电材料是由一种特殊的材料结构所表现出来的。
这种材料结构具有非中心对称性，且具有不等价离子坐标的特征。
这样的材料结构中离子对晶格的对称性造成破坏，同时又使得离子和电子之间存在强烈的相互作用。
另外，铁电材料中离子和电子之间的相互作用又能够产生电偶极矩，而这种电偶极矩的大小可通过材料的摩尔体积、离子电荷、离子坐标等因素来调节。
二、铁电材料中的铁电偶极矩与电场相互作用铁电偶极矩是指在铁电材料中，电子云在电场作用下分布不均匀，产生有向的电势差，进而形成电偶极矩。
铁电偶极矩是测量铁电性质的一个重要参数，在铁电材料中，电场与铁电偶极矩间的相互作用非常重要。
由于铁电偶极矩的出现和方向取决于材料的结构变化，因此，通过电场引导下，铁电材料中的电子和离子将会发生相应的位移，从而实现铁电极化。
当移除电场时，铁电材料恢复到无偏极状态，电偶极矩也会随之消失。
三、铁电材料研究的未来发展在未来的研究中，铁电性质的研究将会成为凝聚态物理领域中的一个重要研究方向。
当前，人们已经开始探索如何通过调节化学组成、晶体结构、物化性能等来制造新的铁电材料。
压电陶瓷、铁电液晶显示器等已经成为目前应用领域的重要代表。
未来，铁电材料具有很强的发展潜力，如何制造更好的铁电材料，同时探索更多的应用领域，都将是未来铁电材料研究的重要方向。
综上所述，铁电材料中的铁电性质是基于材料特殊的结构所产生的一种性质。
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
铁电性
§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 铁电性： 电极化规律具有复杂的非线性， 去外场后能保留剩余极化， 去外场后能保留剩余极化，这种性质叫 铁电性。 铁电性。 铁电体： 具有铁电性的电介质，如钛酸钡陶瓷、 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。 石酸钾钠单晶。
永电体
永电体（驻极体） 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， 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。 且不受外电场的影响的一类电介质。 永电体的制备方法： 永电体的制备方法： 热驻极法、电驻极法、光和磁驻极法等 热驻极法、电驻极法、 永电体的应用： 永电体的应用： 永电体换能器（传感器）。 永电体换能器（传感器）。
永电体
永电体（驻极体） 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， 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。 且不受外电场的影响的一类电介质。 永电体的制备方法： 永电体的制备方法： 热驻极法、电驻极法、光和磁驻极法等 热驻极法、电驻极法、 永电体的应用： 永电体的应用： 永电体换能器（传感器）。 永电体换能器（传感器）。
铁电体
电滞现象与电滞回线（以钛酸钡为例） 电滞现象与电滞回线（以钛t; 120 C
o
P
Pr
B
Ps
A
o
E
Ps
C
铁电体的第一性原理研究进展
详细描述
铁电体的第一性原理研究具有重要的意义，它可以帮 助我们深入理解铁电体的电子结构、极化机制和物理 性能。通过第一性原理计算，我们可以获得铁电体的 能带结构、态密度、电荷分布等重要信息，从而更好 地理解其铁电效应的来源和机制。此外，第一性原理 研究还可以为新型铁电材料的设计和开发提供理论支 持，促进铁电材料在电子器件、能源存储、催化等领 域的应用。
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密度泛函理论通过将多电子系统的薛定谔方程近似为单电子近似，将复杂的电 子相互作用简化为密度与能量的关系，从而能够准确地计算分子的电子结构和 物理性质。
广义梯度近似
总结词
广义梯度近似是一种用于计算固体材 料的电子结构和物理性质的方法。
详细描述
广义梯度近似考虑了电子密度的空间 变化，能够更准确地描述电子的相互 作用和能量差分关系，相对于局域密 度近似具有更高的精度和适用范围。
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第一性原理计算是一种基于量子力学原理的计算方法，它通过求解薛定谔方程来获得原子尺度的物理 性质和化学反应过程。这种方法不需要实验参数，只需要元素的种类和原子间的相互作用力即可进行 计算。第一性原理计算在材料科学、化学、物理学等领域中有着广泛的应用。
研究目的与意义
总结词
铁电体的第一性原理研究旨在深入理解其电子结构、 极化机制和物理性能，为新型铁电材料的设计和开发 提供理论支持。
02
深入研究铁电材料的微观结构和物理机制，揭示其本质规律和
性能调控机制。
开展跨学科合作，整合不同领域的资源和优势，共同推动铁电
03
材料的研究和应用。
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通过第一性原理计算，可以精确地描述铁电体的电子结构，包括能级分布、电子 态密度等，从而揭示铁电体的本征性质和内在机制。
第六章铁电性能和压电性能_材料物理(1)
温度对电滞回线 的影响
BaTiO3的电 滞回线
2. 铁电陶瓷的结构、性能与应用
（1）结构
钙钛矿结构 钨青铜结构 铋层状结构 焦绿石结构 钛铁矿结构
• •
共同特点: 含氧八面体 自发极化的起因: 氧八面 体中心离子的相对位移
•
属位移型铁电体
（2）制备工艺
铁电陶瓷的制备工艺流程： 粉体合成－细化－成型－烧结－被覆电极－性能测试 粉体合成： 固态反应法（solid state reaction） 共沉淀法 (coprecipitation) 溶胶－凝胶法 (sol-gel process)
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。
铁电体 (Ferroelectrics) :
Ps（必要条件） E Ps 重新定向
电光器件－利用电光效应，透明PLZT陶瓷（PLZT 9/65/35)
压电器件－利用压电和电致伸缩效应，PZT, PMN-PT
§6.2 压电性能
Piezoelectricity
一、压电效应 二、压电振子及其参数 三、压电陶瓷的预极化
四、压电材料及其应用
一、压电效应 1. 压电效应
1880年由居里兄弟(J. Curie and P. Curie)发现的。 晶体的压电效应是应力和应变等机械量与电场强度和 电位移（或极化强度）等电学量之间的耦合效应。
(a)
(b)
(c)
(d)
180畴翻转示意图 (a)成核，(b)和(c)纵向长大，(d) 横向长大
铁电性
电介质的极化外电场作用下，电介质显示电性的现象。
在电场的影响下，物质中含有可移动宏观距离的电荷叫做自由电荷；如果电荷被紧密地束缚在局域位置上，不能作宏观距离移动，只能在原子范围内活动，这种电荷叫做束缚电荷。
理想的绝缘介质内部没有自由电荷，实际的电介质内部总是存在少量自由电荷，它们是造成电介质漏电的原因。
一般情形下，未经电场作用的电介质内部的正负束缚电荷平均说来处处抵消，宏观上并不显示电性。
在外电场的作用下，束缚电荷的局部移动导致宏观上显示出电性,在电介质的表面和内部不均匀的地方出现电荷,这种现象称为极化，出现的电荷称为极化电荷。
这些极化电荷改变原来的电场。
充满电介质的电容器比真空电容器的电容大就是由于电介质的极化作用。
电介质的极化机制①电子极化，是在电场作用下原子核与负电子云之间相对位移，它们的等效中心不再重合而分开一定的距离l形成电偶极矩p e＝el(l由负电中心指向正电中心,e是电荷量,见电偶极子)。
当电场不太强时,电偶极矩p e同有效电场成正比,p e=αe E,式中αe称为电子极化率。
②离子极化又称为原子极化，是在正负离子组成的物质中异极性离子沿电场向相反方向位移形成电偶极矩p a。
p a与有效电场成正比,p a=αa E，αa称为离子极化率，这两种极化都同温度无关。
③固有电矩的取向极化，某些电介质分子由于结构上的不对称性而具有固有电矩p。
在无外电场时，由于热运动,这些分子的取向完全是无规的，电介质在宏观上不显示电性。
在外电场的作用下，每个分子的电矩受到电场的力矩作用,趋于同外场平行,即趋于有序化；另一方面热运动使电矩趋于无序化。
在一定的温度和一定的外电场下，两者达到平衡。
固有电矩的取向极化也可以引入取向极化率αd描述,当电场强度不太大而温度不太低时,，k是玻耳兹曼常数，T是热力学温度。
这种极化同温度的关系密切。
④界面极化，由于电介质组分的不均匀性以及其他不完整性，例如杂质、缺陷的存在等，电介质中少量自由电荷停留在俘获中心或介质不均匀的分界面上而不能相互中和，形成空间电荷层，从而改变空间的电场。
铁电基础理论
铁电相变的宏观理论4.1 电介质的特征函数4.1.1特征函数和相变按照热力学理论，在独立变量适当选定之后，只要一个热力学函数就可把一个均匀系统的平衡性质完全确定。
这个函数称为特征函数。
系统内能的变化为dW dQ dU +=式中dQ 是系统吸收的热量，dW 是外界对系统作的功，对于弹性电介质，dW 有机械功和静电功两部分m m i i dD E dx X dW += （3.2）在可逆过程中，有TdS dQ = （3.3）于是内能的全微分形式为m m i i dD E dx X TdS dU ++= （3.4）为了得出其他特征函数的全微分形式，只需对它们的表示式（见表3.1）求微分，并利用式（3.2）和式（3.3）加以简化，其结果为mm i i m m i i mm i i dD E dX x TdS dH dE D dX x TdS dH dD E dx X SdT dA +-=--=++-=1m m i i mm i i mm i i mm i i dE D dx X SdT dG dD E dX x SdT dG dE D dX x SdT dG dE D dx X TdS dH -+-=+--=---=-+=212 （3.5）对这些特征函数求偏微商，就可得出描写系统性质的各种宏观参量，例如，内能的偏微商可给出温度、应力和电场D x S U T ,⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=，D S i i x U X ,⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=，xS m m D U E ,⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂= 上面8个特征函数均可用来描写电介质的宏观性质。
具体采用何种特征函数，这要决定于对独立变量的选择。
例如，以温度、应力和电位移作为独立变量，系统的状态要用弹性吉布斯自由能来描写。
在物质系统中，具有相同成分及相同物理化学性质的均匀部分称为“相”。
由于外界条件的变化导致不同相之间的转变称为相变。
在独立变量选定之后，系统处于什么相，这要决定于相应的特征函数。