铁电体的基本特征
铁电与反铁电的比较
集成铁电体的研究
1. 铁电薄膜与半导体的集成称为集成铁电体，近年来广泛开 展了此类材料的研究。铁电存贮器的基本形式是铁电随机 存取存贮器。早期以为主要研究对象，直至年实现了的商 业化。与五六十年代相比，当前的材料和技术解决了几个 重要问题。一是采用薄膜，极化反转电压易于降低，可以 和标准的硅或电路集成；二是在提高电滞回线矩形度的同 时，在电路设计上采取措施，防止误写误读；三是疲劳特 性大有改善，已制出反转次数达5*1012次仍不显示任何疲劳 的铁电薄膜。
铁电体的研究进展
第一性原理的计算
现代能带结构方法和高速计算机的反展使得对 铁电性起因的研究变为可能。通过第一性原理 的计算，对BaTiO3、PbTiO3、KNbO3和LiTaO3等铁 电体，得出了电子密度分布，软模位移和自发 极化等重要结果，对阐明铁电性的微观机制有 重要作用。
尺寸效应的研究
随着铁电薄膜和铁电超微粉的发展，铁电尺寸 效应成为一个迫切需要研究的实际问题。近年 来，人们从理论上预言了自发极化、相变温度 和介电极化率等随尺寸变化的规律，并计算了 典型铁电体的铁电临界尺寸。这些结果不但对 集成铁电器件和精细复合材料的设计有指导作 用，而且是铁电理论在有限尺寸条件下的发展。
钛酸钡的晶体结构图和铁电相变图
典型的反铁电材料
1. NH4H2PO4型（包括NH4H2AsO4及氘代盐等 ）； 2. （NH4）2SO4型（包括NH4HSO4 及NH4LiSO4等 ）； 3. （NH4）2H3IO6型（包括Ag2H3IO6 等）； 4. 钙钛矿型（包括NaNbO3、PbZrO3、PbHfO3、Pb
铁电体具有哪些特性？
铁电体具有哪些特性？根据量子力学定律，电子表现为粒子或波。
与水库的墙壁类似，“静电势墙”可以用来将电子限制在所需的空间区域，物理学家称之为“量子畜栏”。
限制电子使物理学家可以和它们一起工作，就像“盒子里的粒子”在本科水平的量子力学中练习一样。
但是含有电子的材料所产生的对称性也可以用来限制它们，而不需要使用大的势垒。
事实上，在原子厚度的所谓“量子材料”中，电子动量可以变得非常特殊。
在热释电晶体中，有若干种点群的晶体不但在某温度范围内具有自发极化，且自发极化有两个或多个可能的取向，在不超过晶体击穿电场强度的电场作用下，其取向可以随电场改变，这种特性称为铁电性，具有这种性质的晶体称为铁电体。
大量实验表明，描述铁电体的物理性质(如极化强度、热释电系数、压电常数等)与外电场E之间的滞后关系曲线就是电滞回线(ferroelectrichysteresis),类似于铁磁体的磁滞回线。
除此之外，铁电体与铁磁体在许多其他物理性质上也是具有一一相对应的类似，如电畴对应磁畴，顺电铁电相变对应于顺磁-铁磁相变，电矩对应磁矩，所以历史上就将这类具有电滞回线的晶体称为铁电体。
铁电体的共同特性为：1、自发极化铁晶体管是电介质中一类特别重要的介晶体管。
电介质的特性是：他们以感应而非以传导的方式传播电的作用与影响。
按照这个意义来说，不能简单的认为电介质就是绝缘体。
在电介质中起主要作用的是束缚着的电荷，在电的作用下，他们以正、负电荷着重不重合的电极化方式传递和记录电的影响。
而铁晶体管是-------即使没有外加电场，也可以显现出电偶极距的特性。
因其每单位晶胞带有电偶极矩，且其极化率与温度有关。
2、介电常数当温度高于某一临界温度时，晶体的铁电性消失，并且晶格亦发生转变，这一温度是铁电体的居里点。
由于铁电性的出现或消失，总伴随着晶格结构的改变，所以这是个相变过程。
当晶体从非铁电相(称顺电相)向铁电相过渡时，晶体的许多物理性质皆呈反常现象。
铁电与反铁电的比较
铁电体与反铁电体的相同点
在相变温度时，介电常数出现反 常值； 在相变温度以上，介电常数与温 度的关系遵从居里－外的不同点
关于电滞回线
铁电体中由于出现畴结构，一般地宏观极化强 度p＝0。当外电场E 很小时p与E有线性关系。 当E足够大以后，出现p 滞后于E而变化的关系 曲线称为电滞回线。经过固定振幅的强交变电 场多次反复极化之后，电滞回线有大致稳定的 形状,参见图。其中的箭头标明回线循环的方向。 当 E很大时极化趋向饱和，从这部分外推至纵 轴的截距p称为饱和极化强度。E由幅值减小时 p 略有降低，当E＝0时，铁电体具有剩余极化 强度pr；当电场反向至E=-Ec时，剩余极化迅速 消失，反向电场继续增大时极化反向形成大致 对称的回线；Ec称为矫顽场。电滞回线是判断 铁电性的重要标志。
钛酸钡的晶体结构图和铁电相变图
典型的反铁电材料
1. 2. 3. 4.
5.
NH4H2PO4型（包括NH4H2AsO4及氘代盐等 ）； （NH4）2SO4型（包括NH4HSO4 及NH4LiSO4等 ）； （NH4）2H3IO6型（包括Ag2H3IO6 等）； 钙钛矿型（包括NaNbO3、PbZrO3、PbHfO3、Pb （Mg1／2W1／2）O3等）； RbNO3等。
反铁电体的研究方向
反铁电体的应用
贮能应用 •利用反铁电-铁电相变时的D-E的非线性关系 （双电滞回线），做贮能电容器和电压调节 元件。 换能应用 •利用反铁电-铁电相变的体积效应，做换能器。
贮能应用
利用反铁电材料的极化强度-电场的双电滞回 线特性，可以制作一种新型的电压调节器件。 把这种器件与电路中的负载并联，可以使负 载两端电压稳定在一个相当狭窄的范围之内。 这种器件适于在高压下使用，尺寸小，重量 轻，不需附加别的装置，能用于交流、直流 和脉冲功率源。
铁电体居里温度的测定
铁电体居里温度的测定在没有外施电场的情况下，晶体的正、负电荷中心也不重合而呈现电偶极矩，这种现象称为自发极化。
凡是呈现自发极化，并且自发极化的方向能因施加外场而改变的晶体称为铁电体(ferroelectrics)。
常见的铁电体有下面三类：罗息盐型，如NaK（C4H4O6）•4H2O及LiNH4（C4H4O6）•H2O；KDP型如KH2PO4、RbH2PO4、CsH2AsO4；钙钛矿型，如BaTiO3、SrTiO3等。
若按形成铁电性的机理分类，可把铁电体分为两类：（1）位移型铁电体，钙钛矿型铁电体就属于这一类。
这一类铁电性来自正负离子的相对位移。
（2）有序－有序型铁电体，罗息盐及KDP型铁电体均属此类。
这一类铁电体都有氢键，氢核（质子）在氢键上有两个位置，分别靠近氢键的两端。
当氢核在此两位置上任意分布（无序分布）时，尽管这时晶体内也存在固有电偶极矩，但是这些固有电偶极矩的方向是杂乱无章的，因此整个晶体没有自发极化强度。
当氢键在两个位置上有序（有规则）分布时，这些固有电偶极矩的方向一致，引起自发的极化强度，也即引起铁电性。
铁电体的居里温度是铁电体发生相变时的相变温度，它是表征铁电的一个重要物理量。
通常的测试方法种类很多，例如，电容电桥法、比热法等。
本实验利用自制的仪器测试铁电体的居里温度，还可以样品的分子的电偶极矩进行估算，具有物理概念清晰、测试速度快、直观等优点。
一、实验原理：1、铁电体的性质在一定的温度范围内，某些晶体，如罗息盐（NaKC4H4O6•4H2O），钛酸钡（BaTiO3）等，其正负离子的排列不对称，因而晶胞正负电荷的重心不相重合，具有一点的电偶极矩p。
这些电偶极矩在某些区域之内方向一致，形成所谓铁电畴（ferroelectric domain）。
电畴与电畴之间的界面区域叫做畴壁。
因为铁电体的固有电偶极矩只能沿某些晶轴方向，铁电体的电畴也只能以几种形式存在。
例如对于铁电体BaTiO3，只有相互垂直的两个极化方向，因此，它只有两种电畴壁，分别为180º畴壁90º畴壁。
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
铁电体
HefeiUniversity 铁电材料的应用系别：化工系学生姓名：陈浩专业班级：13无机非金属材料工程（2）班学号：1303032017铁电体铁电体是指可以产生自发极化并且自发极化可以随外电场的变化而发生转向的电介质材料,铁电体包含于压电体，压电体是指能够产生压电效应及逆压电效应的电介质材料，晶体具有压电性的前提是点群结构是非中心对称的。
结构中心对称的晶体发生形变后，其正电荷和负电荷中心仍然重合，不具备产生压电效应及逆压电效应的条件。
因为正负离子产生相互位移的结果是相互抵消的，所以只有不具备中心对称结构的晶体才具有压电效应可以成为压电晶体，但并不是具有压电效应的点群结构都可以产生自发极化强度，因为很多晶体的压电效应都是在某个特定方向产生的，说明该晶体的点群结构只在某个特定方向上非中心对称。
这就是说所有铁电体都是压电体，但压电体不一定是铁电体，比如石英，四硼酸锂等著名的压电体都不是铁电体[12]。
图1-2 电介质晶体分类在晶体学的32种点群中，有21种点群是非中心对称的，它们分别是1、2、m、222、2m m、4、4、422、4m m、3、32、422、3m、6、6、622、6m m、6m2、23、43m、432。
在这21种点群中，属于432点群的晶体至今未发现压电效应，这可能是由于432点群具有很高的轴对称性造成的，在这21种非中心对称的点群中有10种点群的晶体可能具有自发极化，它们是1、2、m、m m2、4、4m m、3、3m、6、6m m，并且在这10种点群晶体中自发极化还会随着温度的变化而发生改变，如果热胀冷缩效应足够大，那么温度的变化会导致应变的产生，这就是热释电效应，所以铁电体一定是属于可以产生自发极化的这10个点群范围内的[13]，图1-2中给出了几种晶体之间的关系。
铁电体的本质特性是可以产生自发极化，自发极化的产生是由于晶胞内部正负电荷中心不重叠而形成电偶极矩的体现，铁电体呈现自发极化状态，在其正负端面分别出现一层符号相反的束缚电荷使其净电压发生变化。
铁电功能材料
铁电陶瓷只在某一温度范围内才具有铁电性,它有 一临界温度Tc.,当温度高于Tc时,铁电相转变为顺电 相,自发极化消失, 晶体顺电相-铁电相的临界转变温度Tc称为居里温度
1.4、典型材料与应用
BaTiO3陶瓷材料
BaTiO3陶瓷材料的铁电性能在1942年被人 们发现,由于其性能优良,工艺简便,很快被应用于 介电、压电元器件,1954年人工法成功制备出 BaTiO3单晶,至今, BaTiO3陶瓷仍是应用的最广 泛和研究得比较透彻的一种铁电材料,
铁电体的电滞回线
电滞回线是铁电体的一个特征,它表示铁电 晶体中存在电畴,它是铁电体的极化强度P随 外加电场强度E的变化轨迹,
饱和极化强度Ps 剩余极化强度Pr 矫顽电场强度Ec
2、 电滞回线 hysteresis loop 在强电场作用下,使多畴铁电体变为单畴铁电体或使单
畴铁电体的自发极化反向的动力学过程称为畴的反转, 使剩余极化强度降为零时的电场值Ec称为矫顽电场强
铁电功能材料
介电材料
电介质功能材料
铁电材料
电
压电材料
功
敏感电介质材料
能
材
料
导电材料
快离子导体
电导体功能材料
电阻材料
超导电体
铁电陶瓷材料
铁电体 ferroelectrics 是电介质的一个亚 类,其基本特征是具有自发电极化并且这种 电极化可以在外电场作用下改变方向,由于 自身结构的原因,铁电体同时具有压电性和 热释电性,此外一些铁电晶体还具有非线性 光学效应、电光效应、声光效应、光折变 效应等,铁电体这些性质使它们可以将声、 光、电、热效应互相联系起来,成为一类重 要的功能材料,
实验 9.3 铁电体电滞回线及居里温度的测量
实验9.3 铁电体电滞回线及居里温度的测量自从1921年了J.Valasek 发现罗息盐是铁电体以来，迄今为止陆续发现的新铁电材料已达一千种以上。
铁电材料不仅在电子工业部门有广泛的应用，而且在计算机、激光、红外、徽波、自动控制和能源工程中都开辟了新的应用领域。
电滞回线是铁电体的主要特征之一，电滞回线的测量是检验铁电体的一种主要手段。
通过电滞回线的测量可以获得铁电体的一些重要参数。
在居里温度处，铁电材料的许多物理性质将发生突变，因此居里温度的测量对研究铁电体的性质有重要的的意义。
通过本实验可以了解铁电体的基本特性，掌握电滞回线及居里温度的一种测量方法。
一、实验目的1、了解铁电体电滞回线的原理；2、掌握铁电体电滞回线和居里温度的测量方法。
二、实验仪器铁电体电滞回线实验仪、计算机、示波器、电炉、BaTiO 3样品等。
三、实验原理1. 电滞回线根据固体物理的知识，全部晶体按其结构的对称性可以分成32类（点群）。
32类中有10类在结构上存在着唯一的“极轴”，即此类晶体的离子或分子在晶格结构的某个方向上正电荷的中心与负电荷的中心重合。
所以，不需要外电场的作用，这些晶体中就已存在着固有的偶极矩S P ，或称为存在着“自发极化”。
如果对具有自发极化的电介质施加一个足够大（如kV/cm)的外电场，该晶体的自发极化方向可随外电场而反向，则称这类电介质为“铁电体”。
众所周知，铁磁体的磁化强度与磁场的变化有滞后现象，表现为磁滞回线。
正如铁磁体一样铁电体的极化强度随外电场的变化亦有滞后现象，表现为“电滞回线”，且与铁电体的磁滞回线十分相似。
铁电体其它方面的物理性质与铁磁体也有某种对应的关系。
比如电畴对应于磁畴。
激发极化方向一致的区域（一般μm 10108--）称为铁电畴，铁电畴之间的界面称为磁壁。
两电畴反向平行排列的边界面称为180°磁壁，两电畴互相垂直的畴壁称为90°畴壁。
在外电场的作用下，电畴取向态改变180°的称为反转，改变90°的称为90°旋转。
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-
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
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
铁电材料概述
（3）钙钛矿型材料—ABO3
钛酸钡（BaTiO3）钛酸钡陶瓷是目前应用最广
泛和研究较透彻旳一种铁电材料。钛酸钡是第一种不 含氢旳氧化物铁电体，因为其性能优良，化学上，热 学上旳稳定性好，工艺简便，不久被用作介电和压电 元件。
钙钛矿构造：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 发觉具有铁电性。截至1990 年，已知旳铁电约为 250 种.通式
非铁电相时有对称中心：不具有压电效应，如BaTiO3、TGS（硫酸三甘肽）
以及与它们具有相同类型旳晶体。
（4）按相转变旳微观机构分类
（5）“维度模型”分类法
铁电材料旳制备措施
1 固相反应法 2 溶胶一 凝胶法 3 熔盐法 4 喷雾分解法 5 柠檬酸前驱法 6 水热法 7 无卤素法 8 低温液相法 9……
薄膜—主要材料以及其优缺陷
目前主流旳铁电材料主要有下列两种：PZT、SBT。
PZT是锆钛酸铅（PbZrxTi1-xO3）。PZT是研究最多、使用最广泛 旳，它旳优点是能够在较低旳温度下制备，能够用溅射和 MOCVD旳措施来制备，具有剩余极化较大、原材料便宜、晶化 温度较低旳优点；缺陷是有疲劳退化问题，还有含铅会对环境造 成污染。
铁电材料旳应用
可作信息存储、图象显示
像BaTiO3一类旳钙钛矿型铁电体具有很高旳介电常数能够 做成小体积大容量旳陶瓷电容器。
铁电薄膜能用于不挥发存贮器外，还可利用其压电特征， 用于制作压力传感器，声学共振器，还可利用铁电薄膜热 释电非致冷红外传感器研究
铁电材料：在具有压电效应旳材料中 ,具有自发极化 ,(自发极化
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。
详细描述
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。
详细描述
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。
THANKS
感谢观看
详细描述
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
铁电体压电体永电体
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， 且不受外电场的影响的一类电介质。 永电体的制备方法：
热驻极法、电驻极法、光和磁驻极法等
永电体的应用：
永电体换能器（传感器）。
压电现象和电致伸缩的应用： 压电现象可用来变机械振动为电振荡，电致 伸缩可变电振荡为机械振动。
永电体
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， 且不受外电场的影响的一类电介质。 永电体的制备方法：
热驻极法、电驻极法、光和磁驻极法等
永电体的应用：
永电体换能器（传感器）。
永Байду номын сангаас体
§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 去外场后能保留剩余极化，这种性质叫 铁电性。 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。
铁电体
电滞现象与电滞回线（以钛酸钡为例）
t 120 C
o
P
t 120 C
o
P
B
Pr
Ps
A
o
E
Ps
C
o
Pr
E
D
温度较高时，电极 化强度与电场强度 成正比。
温度较低时，电极化强度与 电场强度不成正比，而是滞 后于电场强度的变化，形成 电滞回线。
压电体
2. 压电体
压电现象： 某些离子型晶体的电介质，由于结晶点 阵的有规则分布，当发生机械变形时， 能产生电极化现象，称为压电现象。
电致伸缩： 晶体在带电或处于电场中时，其大小发 生变化，即伸长或缩短，是压电现象的 逆现象。
高二物理竞赛课件几种典型铁电体的性质
几种典型铁电体的性质
BaTiO3，钛酸钡 KDP，磷酸二氢钾 KH2PO4 TGS，三甘氨酸硫酸盐，(NH2CH2COOH)3 H2SO4 RS，酒石酸钾钠（罗息盐） NaKC4H4O64H2O
2
3
4
Domain in ceramic samples
5
居里温度 （c,Tc）
7
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 0
式中：C为居里-外斯常数；为绝对温度； 0为顺电居里温度，或称居里-外斯温度。
8
Spontaneous polarization of BaTiO3
9
Dielectric constant of BaTiO3
10
11
12
当晶体从高温降温经过c时，要经过一个从 非铁电相（有时称顺电相）到铁电相的结构 相变。温度高于c时，晶体不具有铁电性， 温度低于c时，晶体呈现出铁电性。通常认 为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的介电性质、弹性性质、光学性质和 热学性质等在居里点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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铁电体的基本特征
铁电体的基本特征
铁电体是一种具有特殊电性质的材料，其具有两个极性状态，可以在
外加电场作用下发生极化反转，这种特殊的性质使得铁电体在电子学、光学、声学等领域有着广泛的应用。
本文将从晶体结构、热力学性质、电学性质和磁学性质四个方面介绍铁电体的基本特征。
一、晶体结构
铁电体的晶体结构通常是非中心对称晶体结构，其具有空间反演对称
性破缺。
这种非中心对称结构使得铁电体具有了极化现象。
常见的铁
电材料包括钛酸锆（ZrTiO4）、钛酸镧（LaTiO3）、钛酸钡（BaTiO3）等。
二、热力学性质
1.相变温度
铁电材料具有相变温度，即在一定温度范围内由无序相向有序相转变。
这种相变通常伴随着极化反转现象。
例如，BaTiO3在120℃左右发生
相变，同时极化方向也发生了反转。
2.比热和热容
铁电材料的比热和热容通常具有峰值，在相变温度附近出现。
这是因为相变时铁电材料吸收或释放大量的热量。
三、电学性质
1.极化
铁电体具有两个稳定的极化状态，即正向极化和负向极化。
在外加电场作用下，铁电体可以发生极化反转，即从一个稳定状态转变为另一个稳定状态。
这种极化反转现象是铁电材料应用于存储器、传感器等领域的基础。
2.介电常数
铁电体的介电常数随着温度和频率的变化而变化。
在相变温度附近，介电常数会发生突变，这是因为相变时极化方向发生了反转。
四、磁学性质
1.自旋玻璃态
一些铁电材料具有自旋玻璃态，即在低温下呈现出玻璃态，并且具有
自旋玻璃特征。
例如，BiFeO3就是一种具有自旋玻璃态的铁电材料。
2.多铁性
一些铁电材料同时具有铁磁性和铁电性，这种材料被称为多铁材料。
多铁材料具有更加丰富的物理性质和应用前景。
例如，BiFeO3就是一种典型的多铁材料。
总结
铁电体具有非中心对称晶体结构、相变温度、比热和热容、极化、介
电常数、自旋玻璃态和多铁性等特征。
这些特征使得铁电体在存储器、传感器、光学器件等领域有着广泛的应用前景。