10 压电、热释电与铁电材料
铁电材料的应用及其性质
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
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。
试说明压电体、热释电体、铁电体各自在晶体结构上的特点。
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
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
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。
压电热释电铁电材料的应用
压电热释电铁电材料的应用引言：压电热释电铁电材料是一类独特的功能材料，具有压电、热释电和铁电效应。
这些特殊的性质使得压电热释电铁电材料在很多领域中有着广泛的应用。
本文将介绍压电热释电铁电材料的概念及其应用。
一、压电效应的应用：压电效应是指在外加电场的作用下，压电材料会发生形变。
压电效应在各个领域中有着广泛的应用。
例如，在声学领域，压电传感器利用压电效应将压力信号转化为电信号，用于测量、控制和监测声波。
在医疗领域，压电效应被应用于超声波技术中，用于诊断和治疗。
此外，压电效应还被应用于振动传感器、加速度计、压力传感器等领域。
二、热释电效应的应用：热释电效应是指在温度变化的作用下，热释电材料会发生电信号的变化。
热释电效应在能量转换和传感器方面有着重要的应用。
例如，热释电发电机利用热释电效应将热能转化为电能，实现能量的回收和利用。
此外，热释电效应还被应用于温度传感器、红外传感器等领域。
三、铁电效应的应用：铁电效应是指在外加电场的作用下，铁电材料会发生极性反转。
铁电效应在信息存储和传输方面有着广泛的应用。
例如，铁电存储器利用铁电效应来实现信息的存储和读取。
铁电材料还被应用于传感器、电容器等领域。
四、压电热释电铁电材料的综合应用：压电热释电铁电材料的综合应用在科学研究和工程实践中起到了重要的作用。
例如，在机械工程领域，压电热释电铁电材料被应用于振动能量收集器，将机械振动能量转化为电能，实现自供电。
在电子工程领域，压电热释电铁电材料被应用于传感器、开关等元件，实现电信号的控制和传输。
此外，压电热释电铁电材料还在声学、光学、生物医学等领域有着广泛的应用。
结论：压电热释电铁电材料的应用涵盖了许多领域，包括声学、医疗、能源、传感器等。
这些材料的特殊性质使得它们在能量转换、信息存储和传感器方面具有独特的优势。
随着科学技术的不断进步，压电热释电铁电材料的应用前景将更加广阔，为人类创造更多的价值。
压电、热释电与铁电材料
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。
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。
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。
若取立方相的平衡位置作参考， 钡离子位置作坐标原点，用 δZTi表示Ti沿c轴位移； δZOIδZOII分别表示在（001） 面上的氧离子OI和（010）、 （100）面上的氧离子OII沿轴c 方向的位移，则在四方相原胞 中各离子的位置坐标为： Ba(0,0,0);Ti(0.5,0.5,0.5+δ ZTi), OI(0.5,0.5, δZOI); OII(0.5,0,0.5+δZOII) 和 (0,0.5,0.5+δZOII)
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、热释电与铁电材料及应用PPT文档21页
压电、热释电与铁电材料及应用
指导老师：
班级： 姓名：
压电材料的物理机制
压电效应的原理 典型压电材料分析
压电效应的原理
多晶体结构的压电材料在一定温度下经极化处理制成压电元件， 它在受到外力作用而发生形变时，其表面会产生极化电荷，这就 是所谓压电效应；反之，当在压电元件两端面加一外电场时会发 生伸缩形变，称为逆压电效应。压电效应中各量（力学量、电学 量和压电常数等）之间的关系可用一方程组描述：
谢辞
感谢各位老师对我的论文给予指导! 感谢同学们给予我的支持!
谢谢大家！
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
SiO 2
典型压电材料分析
热释电红外报警器工作原理
热释电红外报警器主要由光学系统、热释电红外传感器、信号滤波和放 大、信号处理和报警电路等几部分组成，其结构框图如图所示。图中， 菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化 的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透 镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏 区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而加 强其能量幅度。达到报警效果。
热释电、铁电材料的Байду номын сангаас展方向
未来铁电薄膜以及介电模式工作的陶瓷材料将成为成 像应用的主要热释电材料。在薄膜材料这方面首先研制高 性能的热释电薄膜，并要求制备工艺中的温度不要超过 550℃，以便与硅工艺相兼容。介电模式工作的热释电材 料中，以BST和PST陶瓷为主流，可以探讨采用其他工艺 来提高此类材料的热释电性能。
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
LOGO
2 介电常数 ε
反应了材料的介电性质或极化性质。
压电陶瓷的种类
压电陶瓷的种类1 铁电陶瓷ferroelecteic ceramics具有重铁电性的陶瓷称为铁电陶瓷。
从晶体结构来看,铁电陶瓷的晶体的主晶相具有钙钛矿结构,钨青铜结构,铋层状结构和焦绿石结构等。
2 反铁电陶瓷antiferroelectric ceramics具有反铁电性的陶瓷称为反铁电陶瓷。
3 压电陶瓷piezoelectric ceramics具有压电效应的陶瓷称为压电陶瓷,由于末经过极化处理的铁电陶瓷的自发极化随机取向,故没有压电性。
极化处理使其自发极化沿极化方向择优取向。
在撤去电场后,陶瓷体仍保留着一定的总体剩余极化,故使陶瓷体有了压电性,成为压电陶瓷。
在高温的高温度梯度场中定向析晶的非铁电极性玻璃陶瓷也具有压电性。
4 钛酸钡陶瓷barium titanate ceramics钛酸钡陶瓷是一种具有典型钙钛矿结构的铁电陶瓷。
它通常是以碳酸钡和二氧化钛为主要原料,预先合成后再在高温下烧结而成的。
5 钛酸铅陶瓷lead titanate ceramics钛酸铅陶瓷是具有钙钛矿性结构的铁电陶瓷。
它通常是由四氧化三铅{或氧化铅}和二氧化钛以及少量添加物预先合成后再在高温下烧结而成的。
6 二元系陶瓷binary system ceramies二元系压电陶瓷是俩种化学通式ABO3型结构的化学物所形成的固溶体,其中A 代表二价的正离子Pb2+,Ba2+,Mg2+,Ca2+,Sr2+,等或一价正离子K+,Na+等,B代表四价的正离子Zr4+,Ti4+或五价的Nb5+等。
最常见的二元系压电陶瓷是PbZrxTi{1-x}O3。
通过调节两种ABO3型结构的克分子比,以及用取代元素和添加物改性的方法,可以获得各种不同用途的材料。
7 锆钛酸铅陶瓷Lead zirconate ceramic锆钛酸铅陶瓷通常简称为PZT陶瓷,这种压电陶瓷目前受到广泛应用。
它是PbZrO3和PbTiO3的固溶体,具有钙钛矿型结构,当锆钛比为53/47左右{即共晶相界附近}时,具有最强的压电性能。
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．
压电热释电铁电材料81页PPT
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 。
电介质材料压电热释电铁电介质材料
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。
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匀分散的压电陶瓷颗粒与聚 合物基体构成。与1-3型压电 复合材料比较，他的制备方 法简单，易于加工，易与水 或生物组织实现阻抗匹配， 宜批量生产
压电 材料 在信 息技 术中 的应 用
热释电探测器对热释电材料的要求
三个优值：
电流相应优值
Fi=p/c’
电压相应优值
压电聚合物
聚偏氟乙烯（PVDF） 奇数尼龙
压电复合材料
定义：压电复合材料是由两相或多相材料复合而成的
压电材料，常见的是由压电陶瓷和聚合物组成的两相 材料。
结构表征：主要参数有联结型、对称性、各相的体积
占有率及其形状和尺寸等
1-3型压电复合材料：压电陶
瓷相一维自我连通，聚合物 相三维自我连通。
铁电电子发射与铁电冷阴极材料 阴极材料是指在激励源作用下能发射 强电子束的特种功 能材料。 根据激励源不同，这些阴极材料又可以分为：
① ②
③
光阴极 热阴极 场阴极 自发极化 电荷屏蔽 快极化反转 屏蔽电荷发射
快极化反转致电子发射包括：
① ② ③ ④
铁电制冷材料
铁电制冷利用的是电介质材料的电生热效应——在绝热条件
材料 制备是在闭环系统中完成得，易于分离、循环、
回收
可以制成任意形状、任意尺寸的薄膜 淀积速率率相对较高 工艺技术具有通用性
展望
铁电物理学仍是一个十分活跃的研究领域 铁电薄膜异质结构将取得重大突破 环境协调性铁电材料研究取得重要突破 弛豫性铁电陶瓷和铁电单晶的研究将有重要进展 人工调制铁电材料的发展将进一步拓展铁电材料的应
重要的铁电薄膜材料
铁电薄膜材料4种：
含氧八面体 含氢键 含氟八面体 含其他离子基团
铁 电 薄 膜 与 集 成 铁 电 学
铁电薄膜存储器 —FRAM与DRAM
铁电随机存储器（FRAM） 动态随机存储器（DRAM）
其他铁电薄膜
薄膜型热释电红外探测器
压电马达与集成铁电微电子机械系统
下，对电介质材料施加外场时温度发生改变的现象。
铁电聚合物和铁电液晶
液晶按结构可以分为：
① ② ③
丝状相 螺旋状相 层状相
铁电薄膜
铁电薄膜——具有铁电性，且厚度在数十纳米至数微
米的薄膜材料，叫铁电薄膜 铁电薄膜的制备：
溅射法
溶胶—凝胶法 化学气相沉积法
脉冲激光沉积法
铁电薄膜的应用
铁电薄膜集成光波导器件 铁电薄膜微波器件
光学超晶格与声学超晶格
环境协调性压电铁电材料
铁电体及相关材料应不含或尽可能少含可能对生态环
境造成损害的物质 铁电体及相关材料的制备技术应当是对生态环境损害 尽可能小的环境协调技术 由铁电体及相关材料做成的制品应当是依据环境协调 性原则设计的,这些制品的加工工艺也应是环境协调性 的； 应当用环境协调性评价技术对铁电体及相关材料、有 关制品以及这些制品的加工工艺等进行评价，并使评 价的结果满足国际化标准组织（ISO）14000系列文件 要求
引言
电介质的基本特征是，在外电场的作用下，电介质中
要出现电极化，即将原来不带电的电介质置于外场之 中，在其内部和表面上将会干生出一定的电荷 还有一类电介质，即使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 具有特殊极性方向的电介质叫极性电介质 极性电介质因温度均匀变化而发生电极化改变的现象 称为电介质热释电性。 铁电材料是自发极化可以随外加电场的反向而反向的 热释电材料，也就是说凡是铁电材料必定具有热释电 性质但是热释电材料则不一定是铁电材料。
环境协调性压电陶瓷
BiTiO3基压电铁电陶瓷 BNT基压电铁电陶瓷 NaNbO3基压电铁电陶瓷
压电铁电材料的环境协调性制备技术
总的要求： 资源能源消耗少和制备加工过程对生态环境污染小 无机非金属材料软溶液制备技术SSP
使用SSP技术的优点
陶瓷薄膜的沉积、成型、剪切、取向等可进一步完成 能源、资源消耗小
Fv=p/c’ε
探测优值
Fd=p/c’ 热释电材料
最重要的应 用是制作室 温红外探测 器与阵列
铁电材料与应用
调制用非线性铁电晶体 电光晶体 光折变晶体
① ② ③ ④
铁电型晶体 非铁电型电光晶体 化合物半导体 有机光折变材料
弛豫性铁电体 基本介电特征： 弥散相变 频率色散
电介质分类及其相互关系
介电晶体(32) 压电晶体(20)
热释电晶体(10)
铁电晶体
压电材料
压电晶体
含氧八面体的铁电晶体 含氢键的铁电晶体 含层状结构的钛酸铋晶体
压电陶瓷
掺杂对陶瓷性能的影响 受主杂质的介电常数降低、频率常量升高、机械品质因数 增大、老化率增大。 施主杂质的介电常数升高、机电耦合因数增大、机械品质 因数降低、老化率减少。 变价杂质的介电常数降低、频率常量增大、机械品质因数 升高温度系数变小、老化率减小 *材料对外场的顺度大，性能“软”，反之则“硬”
用范围
铁电液晶和铁电聚合物研究将可能开发出更多的铁电
体，并发展更多的应用。