铁电材料介绍课件

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4.2 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。 1. 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。 2. 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。
ABO3型钙钛矿结构
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ABO3型钙钛矿晶胞结构
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形成钙钛矿条件：
离子A、B、C的半径RA、RB、RO满足下列关系才能组成ABO3结构：
t = ( RA + RO ) /( 2 ( RB + RO ))
式中t为容差因子（0.9~1.1范围内）， A离子半径约为1.00~1.40Å， B离子半径约为0.45~0.75Å， O氧离子半径为1.32Å。
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3.6 热释电效应
(Pyroelectric effect)
由于温度的变化，晶体出现结构上的电荷中 心相对位移，使自发极化强度发生变化，从而在 两端产生异号的束缚电荷，这种现象称为热释电 效应。
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四：铁电材料的分类
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（Tc） 有的低到-261.5°C（酒石酸铊锂），有的高于 1500°C。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。到目前为止，对铁电晶体的分 类法有许多种，其中常用的有以下几种
3.6 电致伸缩效应
(Electrostrictive effect )
晶体在受到外电场E激励下产生形变S，但二者呈非线性关系， 形变S与电场的平方E2呈线性关系，即： S∝E2 这种效应称为电致伸缩效应。
与压电效应的区别：
压电效应产生的应变与电场 成正比，当电场反向时，应变改变符 号，即正向电场使试样伸长，反向电 场使试样缩短。 电致伸缩效应产生的应变与电 场的平方成正比，当电场反向时，应 变不改变符号，即无论正向电场或反 向电场均使试样伸长（缩短）。
Pb(B+21/2B+61/2)O3型 Pb(B+31/2B+51/2)O3型 Pb(B+32/3B+61/3)O3型 Pb(B1+41/2B2+41/2)O3型
Pb(Ti1/2Zr1/2)O3， Ba(Ti1/2Zr1/2)O3
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三：铁电体主要特征与物理属性
1. 2. 3. 4. 5. 6. 自发极化（Spontaneous polarization） 铁电畴 (Ferroelectric domain) 电滞回线(Hysteresis loop) 居里温度(Curie temperature,Tc) 介电反常(Dielectric anomalous) 重要物理效应
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2.1 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：
CaTiO3,BaTiO3, PbZrO3 Pb(Zn1/3Nb2/3)O3，Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 (Na1/2Bi1/2)TiO3，(K1/2Bi1/2)TiO3
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4.4 按居里-外斯常数的大小分类
按居里-外斯常数的大小分类（参照图64），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。
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居里-外斯定律Curie-Weiss law
当温度高于居里点时，铁电体的介电常数与 温度的关系服从居里-外斯定律：
C ε= T − Tc
式中：C为居里-外斯常数；Tc为顺电居里温 度，或称居里-外斯温度。
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反铁电体锆酸铅的介电常数与温度的关系
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3.6 压电效应
(Piezoelectric effect )
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“铁电体”名字由来
“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。
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3.1自发极化（ Spontaneous Polarization ）
自发极化方向？
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3.2 铁电畴（ Ferroelectric domain ）
铁电体内自发极化相同的小区域称为铁电畴，～10μm； 铁电畴之间的交界称为畴壁。 两种：90°畴壁和180°畴壁*
*铁电畴夹角依赖与晶体结构
《功能材料》
——铁电材料
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介电材料
电介质功能材料
铁电材料 压电材料 敏感电介质材料
电 功 能 材 料
电导体功能材料
导电材料 快离子导体 电阻材料 超导电体
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铁电材料
1. 2. 3. 4. 5. 基本概念（什么是铁电体） 晶体结构 铁电体主要特征与物理属性 铁电材料的分类 典型铁电材料属性与应用
3.5 介电反常：临界特征
铁电体的介电性质、弹性性质、光学性质和 热学性质等在居里点（Tc）附近都要出现反 常现象，其中研究的最充分的是“介电反常”。 因为铁电体的介电性质是非线性的，介电常 数随外加电场的大小而变，所以一般用电滞 回线中在原点附近的斜率来代表铁电体的介 电常数，实际测量介电常数时外加电场很小。 大多数铁电体的介电常数在居里点附近具有 很大的数值，其数量级可达，104-105，此即 铁电体在临界温度的“介电反常”。
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一：基本定义
具有自发极化强度（Spontaneous polarization，Ps） 自发极化强度能在外加电场下反转, (Switchable，Ps)
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自发极化（ Spontaneous
Polarization
）
Pm-3m
P4mm
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二：晶体结构
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（？）， 压电体 32种点群，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 热释电体 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 铁电体 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。
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
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顺电
铁电
反铁电
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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。
A1A2占据A位，满足条件： A位化合价= A1·x1+A2 ·x2=+2价 B1B2占据B位，满足条件： B位化合价= B1·y1+B2 ·y2=+4价
尝试写出一些钙钛矿化合物？？
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A位变化形成的化合物：
(A1+2A2+2)TiO3型 (Sr,Ba)TiO3 (Mg,Zn)TiO3 (A+11/2A+31/2)TiO3型 (Na1/2Bi1/2)TiO3 (K1/2Bi1/2)TiO3
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容差因子（t）计算（ABO3)
试计算立方钙钛矿 容差因子t ？
A B O
t = ( RA + RO ) /( 2 ( RB + RO ))
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简单钙钛矿结构化合物组成 ABO3型
2+， Ca2+，Sr2+，Ba2+，Zn2+，Pb2+等 A位：+2价阳离子，如 Mg ？？ 4+，Zr4+ ，Hf4+等 B位：+4价阳离子，如 Ti ？？？
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(Sr,Ba)ZrO3 (Sr,Pb)ZrO3
B位变化形成的化合物：
Pb(B+2
+5 )O 型 B 1/3 2/3 3
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(Fe1/2Nb1/2)O3，Pb(Fe1/2Ta1/2)O3 Pb(Fe2/3W1/3)O3，Pb(Mn2/3W1/3)O3
晶体受到机械力的作用时，表面产生束缚电荷， 其电荷密度大小与施加外力大小成线性关系，这种由 机械效应转换成电效应的过程称为正压电效应。 晶体在受到外电场激励下产生形变，且二者之间 呈线性关系，这种由电效应转换成机械效应的过程称 为逆压电效应。 力→形变→电压 电压→形变 正压电效应 逆压电效应