铁电材料及其应用 ppt课件
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材料的铁电性能课件
电场强度继续增大，最后晶体 电畴方向都趋于电场方向，类 似于单畴，极化强度达到饱和， 这相当于图中C附近的部分。
图6.26 铁电电滞回线 (Ps为自发极化强度，Ec为矫顽力）
13
2 自发极化强度Ps 极化强度达到饱和后，再增
加电场，P与E成线性关系，将这 线性部分外推至E=0时的情况， 此时在纵轴P上的截距称为饱和 极化强度或自发极化强度Ps。 3 剩余极化强度
多晶体中每个小晶粒可包含多个 电畴。由于晶体本身取向无规则，所 以各电畴分布是混乱的，因而对外不 显示极性。
单晶体，各电畴间的取向成一定的 角度，如90 °，180 ° 。
图6.31 畴壁
7
4.电畴的形成及其运动的微观机理 （1）电畴的形成
以BaTiO3为例。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造成的。由于离子偏离了平衡 位置，使得单位晶胞中出现了电矩。电矩之间的相互作用使偏 离平衡位置的离子在新的位置上稳定下来，与此同时晶体结构 发生了畸变。
的电滞回线很接近于矩形，Ps 和Pr很接近，而且Pr较高；陶 瓷的电滞回线中Ps与Pr相差较 多，表明陶瓷多晶体不易成为
单畴，即不易定向排列
图6.34 BaTiO3的电滞回线 20
4)铁电体的应用
①由于它有剩余极化强度，因而铁电体可用来作信息 存储、图象显示。
目前已经研制出一些透明铁电陶瓷器件，如铁电存储和 显示器件、光阀，全息照相器件等，就是利用外加电场使 铁电畴作一定的取向，使透明陶瓷的光学性质变化。铁电 体在光记忆应用方面也已受到重视，目前得到应用的是掺 镧的锆钛酸铅（PLZT)透明铁电陶瓷以及Bi4Ti3O12铁电薄膜。
1)温度对电滞回线的影响 铁电畴在外电场作用下的“转向”，使得陶瓷材料具有宏
《电厂金属材料》课件
优质的电厂金属材料能够提高 发电设备的效率，降低能耗， 提高经济效益。
延长设备寿命
合理的选材和有效的防护措施 可以延长发电设备的使用寿命 ，降低维护成本。
促进电力工业发展
电厂金属材料的进步能够推动 电力工业的发展，满足社会对
电力日益增长的需求。
02
电厂金属材料的种类与特 性
金属材料的分类
黑色金属
铜及铜合金
导电性和导热性好，耐腐蚀，广泛用于电气 、电子和建筑领域。
钛及钛合金
高强度、耐腐蚀性好，生物相容性好，广泛 用于航空料
根据设备或构件的使用要求，如 强度、耐腐蚀性、耐磨性等，选 择合适的材料。
根据工艺要求选择
材料
根据制造工艺的要求，如可加工 性、焊接性、切削性等，选择适 合的材料。
经济性原则
在满足使用和工艺要求的前提下 ，尽量选用价格低廉的材料，降 低成本。
03
电厂金属材料的腐蚀与防 护
电厂金属材料的腐蚀机理
01
02
03
电化学腐蚀
金属材料与电解质溶液接 触，通过电极反应发生的 腐蚀。
化学腐蚀
金属与周围介质（非电介 质）直接发生的化学反应 而引起的腐蚀。
物理腐蚀
金属由于物理溶解而引起 的腐蚀。
金属材料加工
严格按照工艺要求进行金属材料的加工，避免因切割、焊接等操作 不当导致材料损伤或性能下降。
金属材料安装
在安装过程中，要确保金属材料的正确安装和固定，防止因安装不 当导致设备故障或安全事故。
电厂金属材料的安全检测与评估
1 2 3
定期检测
对电厂金属材料进行定期检测，包括外观检查、 无损检测、理化性能试验等，以确保材料性能稳 定且无损伤。
延长设备寿命
合理的选材和有效的防护措施 可以延长发电设备的使用寿命 ，降低维护成本。
促进电力工业发展
电厂金属材料的进步能够推动 电力工业的发展，满足社会对
电力日益增长的需求。
02
电厂金属材料的种类与特 性
金属材料的分类
黑色金属
铜及铜合金
导电性和导热性好，耐腐蚀，广泛用于电气 、电子和建筑领域。
钛及钛合金
高强度、耐腐蚀性好，生物相容性好，广泛 用于航空料
根据设备或构件的使用要求，如 强度、耐腐蚀性、耐磨性等，选 择合适的材料。
根据工艺要求选择
材料
根据制造工艺的要求，如可加工 性、焊接性、切削性等，选择适 合的材料。
经济性原则
在满足使用和工艺要求的前提下 ，尽量选用价格低廉的材料，降 低成本。
03
电厂金属材料的腐蚀与防 护
电厂金属材料的腐蚀机理
01
02
03
电化学腐蚀
金属材料与电解质溶液接 触，通过电极反应发生的 腐蚀。
化学腐蚀
金属与周围介质（非电介 质）直接发生的化学反应 而引起的腐蚀。
物理腐蚀
金属由于物理溶解而引起 的腐蚀。
金属材料加工
严格按照工艺要求进行金属材料的加工，避免因切割、焊接等操作 不当导致材料损伤或性能下降。
金属材料安装
在安装过程中，要确保金属材料的正确安装和固定，防止因安装不 当导致设备故障或安全事故。
电厂金属材料的安全检测与评估
1 2 3
定期检测
对电厂金属材料进行定期检测，包括外观检查、 无损检测、理化性能试验等，以确保材料性能稳 定且无损伤。
铁电性与压电性PPT课件
第5页/共41页
等轴晶系（大于120oC） ： 晶胞常数：a=4.01A 氧离子的半径：1.32A 钛离子的半径： 0.64
钛离子处于氧八面体中， 两个氧离子间的空隙为：4.01－2× 1.32= 1.37 钛离子的直径：2× 0.64= 1。28
第6页/共41页
结果： 氧八面体空腔体积大于钛离子体积，给钛离子位移的余地。 较高温度时，热振动能比较大，钛离子难于在偏离中心的某一个位置上固定下来， 接近六个氧离子的几率相等，晶体保持高的对称性，自发极化为零。 温度降低，钛离子平均热振动能降低，因热涨落，热振动能特别低的离子占很大比 例，其能量不足以克服氧离子电场作用，有可能向某一个氧离子靠近，在新平衡位 置上固定下来，并使这一氧离子出现强烈极化，发生自发极化，使晶体顺着这个方 向延长，晶胞发生轻微畸变，由立方变为四方晶体。
d:压电常数 逆压电效应的应变与施加的电场强度有如下关系：
S=dE d:压电常数 注：正、逆压电效应的压电常数一样。
第23页/共41页
2. 压电材料的性能
（1）机电偶合系数 （2）机械品质因数 （3）频率常数 （4）压电常数 （5）弹性模量、相对介电常数、居里温度等。 介电质的基本性能：介电常数、介电损耗等 特殊应用要求的性能：如：滤波器要求谐振频率稳定性高
第21页/共41页
－－－－－－－
+ + ++ + 极化方向
－－－－－－－ + + ++
－－－－－
+ 极化方向
++++++
自+由电荷
－－－－－
－－－－－－－－－－－－
++++++ +
铁电材料PPT幻灯片课件
读写过程不需要大电场， 在读后也不需重写。设计 简单。
18
压电陶瓷
声马达是压电陶瓷应用中一个 引人注目的新领域,它是利用压 电陶瓷的逆压电效应,直接把电 能转换成机械能输出而无需电 磁线圈的新型电机，与普通电 磁马达相比，它具有结构简单 、启动快、体积小、功耗低等 特点。另外，由于它是从电能 直接转换为机械能而不通过磁 电转换，因此，不产生磁干扰 也不怕磁干扰。
，擦写次数低,写数据功耗大等缺点。
16
FeRAM器件结构
17
铁电存储器（MFSFET）
MFS(Metal Ferroelectric –Semiconductor )FET
在MOS中用铁电薄膜（F） 代替二氧化硅栅氧化物薄 膜（O）构成MFSFET场 效应管
由于极化滞后，漏电流展 现两种状态：开，关
Kbit和1Mbit等密度。
非易失性记忆体掉电后数据不丢失。可
是所有的非易失性记忆体均源自ROM技术。
你能想象到,只读记忆体的数据是不可能修改
的。所有以它为基础发展起来的非易失性记
忆体都很难写入，而且写入速度慢，它们包
括EPROM（现在基本已经淘汰）,EEPROM
和Flash，它们存在写入数据时需要的时间长
10
ABO3型钙钛矿晶胞结构
11
铁电材料的分类
（1）结晶化学分类
含有氢键的晶体：磷酸二氢钾（KDP）、三甘氨酸硫酸盐（TGS）、罗息盐
（RS）等。这类晶体通常是从水溶液中生长出来的，故常被称为水溶性铁电体，
又叫软铁电体；
（Li2双O氧-N化b2物O晶5）体等：，如这B类aT晶iO体3（是B从aO高-T温iO熔2）体、或K熔N盐bO中3（生K长2出O-来N的b2，O5又）称、为L硬iNb铁O电3 体．它们可以归结为ABO3型，Ba2+，K+、Na+离子处于A位置，而Ti4+、Nb6+、 Ta6+离子则处于B位置。
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压电陶瓷
声马达是压电陶瓷应用中一个 引人注目的新领域,它是利用压 电陶瓷的逆压电效应,直接把电 能转换成机械能输出而无需电 磁线圈的新型电机，与普通电 磁马达相比，它具有结构简单 、启动快、体积小、功耗低等 特点。另外，由于它是从电能 直接转换为机械能而不通过磁 电转换，因此，不产生磁干扰 也不怕磁干扰。
，擦写次数低,写数据功耗大等缺点。
16
FeRAM器件结构
17
铁电存储器（MFSFET）
MFS(Metal Ferroelectric –Semiconductor )FET
在MOS中用铁电薄膜（F） 代替二氧化硅栅氧化物薄 膜（O）构成MFSFET场 效应管
由于极化滞后，漏电流展 现两种状态：开，关
Kbit和1Mbit等密度。
非易失性记忆体掉电后数据不丢失。可
是所有的非易失性记忆体均源自ROM技术。
你能想象到,只读记忆体的数据是不可能修改
的。所有以它为基础发展起来的非易失性记
忆体都很难写入，而且写入速度慢，它们包
括EPROM（现在基本已经淘汰）,EEPROM
和Flash，它们存在写入数据时需要的时间长
10
ABO3型钙钛矿晶胞结构
11
铁电材料的分类
（1）结晶化学分类
含有氢键的晶体：磷酸二氢钾（KDP）、三甘氨酸硫酸盐（TGS）、罗息盐
（RS）等。这类晶体通常是从水溶液中生长出来的，故常被称为水溶性铁电体，
又叫软铁电体；
（Li2双O氧-N化b2物O晶5）体等：，如这B类aT晶iO体3（是B从aO高-T温iO熔2）体、或K熔N盐bO中3（生K长2出O-来N的b2，O5又）称、为L硬iNb铁O电3 体．它们可以归结为ABO3型，Ba2+，K+、Na+离子处于A位置，而Ti4+、Nb6+、 Ta6+离子则处于B位置。
介电和铁电基础及应用汇总.ppt.
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。
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
主要特征
电滞回线hysteresis loop 居里温度Curie temperature Tc
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
Sawyer-Tower 电路
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。 极化强度反向是电畴反转的结果，所以电滞 回线表明铁电体中存在电畴。 所谓电畴就是铁电体中自发极化方向一致的 小区域，电畴与电畴之间的边界称为畴壁。 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，不同电畴中自发极化 强度的取向间存在着简单的关系。
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”。
铁电功能材料PPT课件
A(B1+4，B2+4)O3型
Pb(Ti，Zr)O3， Ba(Ti，Zr)O3
1.3、 特 性
第五章 铁电功能材料
铁电晶体内自发极化一致的区域称为电 畴。铁电体中一般包含着多个电畴。两个 相邻电畴自发极化间的夹角可以为180˚或 90 ˚ ，分别称为180 ˚畴和90 ˚畴。
1、 电畴 ferroelectric domain 铁电体内自发极化相同的小区域称为电畴，～10μm； 电畴与电畴之间的交界称为畴壁 两种：90°畴壁和180°畴壁
第五章 铁电功能材料
• 电介质的极化有3种主要基本过程，即 材料中原子核外电子云畸变产生的电子极 化；分子中正、负离子相对位移造成的离 子极化和分子固有电矩在外电场作用下转 动导致的转向极化。
第五章 铁电功能材料
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，32种点 群，见书中表4-1。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。
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）。
材料铁电性能的测量课件
02
铁电材料在一定温度范围内表现 出明显的铁电效应，即自发极化 随着温度的升高而降低，反之亦然。
铁电材料的特性
01
02
03
电滞回线
铁电材料具有显著的电滞 回线，即其介电常数和极 化强度随外加电场的变化 而发生非线性变化。
热释电效应
当铁电材料受到温度变化 时，其自发极化强度会发 生变化，产生热释电电流。
铁电测试仪通常采用交流测量方法，通过在材料上施加一定频率和幅度的交流电信 号，测量材料的响应信号，从而计算出材料的铁电性能参数。
铁电测试仪具有高精度、高稳定性和可重复性的特点，是研究材料铁电性能的重要 工具。
示波器
示波器是一种常用的电子测量仪 器，它可以用来观察和测量各种
信号的波形和参数。
在测量材料铁电性能时，示波器 可以用来观察和记录材料的电响 应信号，帮助研究者了解材料的
压电效应
在铁电材料中，自发极化 强度随外力作用而发生改 变，从而产生压电电压。
铁电材料的应用
传感器
利用铁电材料的压电效应 和热释电效应，可以制作 出高灵敏度、高分辨率的 传感器。
存储器
铁电材料具有非易失性的 电滞回线，可以用于制作 铁电随机存储器（FRAM）。
换能器
利用铁电材料的压电效应 和热释电效应，可以制作 出高效能的换能器。
在传感器领域的应用
总结词
铁电材料在传感器领域的应用主要涉及压力传感器和振动传感器。
详细描述
由于铁电材料的压电效应，它们可以用于制造高灵敏度、低噪声和宽频带压力传 感器和振动传感器。这些传感器广泛应用于航空航天、汽车、机械和医疗等领域， 用于监测压力、振动和声学信号，并进行相应的控制和调节。
2023
总结词
铁电材料在一定温度范围内表现 出明显的铁电效应，即自发极化 随着温度的升高而降低，反之亦然。
铁电材料的特性
01
02
03
电滞回线
铁电材料具有显著的电滞 回线，即其介电常数和极 化强度随外加电场的变化 而发生非线性变化。
热释电效应
当铁电材料受到温度变化 时，其自发极化强度会发 生变化，产生热释电电流。
铁电测试仪通常采用交流测量方法，通过在材料上施加一定频率和幅度的交流电信 号，测量材料的响应信号，从而计算出材料的铁电性能参数。
铁电测试仪具有高精度、高稳定性和可重复性的特点，是研究材料铁电性能的重要 工具。
示波器
示波器是一种常用的电子测量仪 器，它可以用来观察和测量各种
信号的波形和参数。
在测量材料铁电性能时，示波器 可以用来观察和记录材料的电响 应信号，帮助研究者了解材料的
压电效应
在铁电材料中，自发极化 强度随外力作用而发生改 变，从而产生压电电压。
铁电材料的应用
传感器
利用铁电材料的压电效应 和热释电效应，可以制作 出高灵敏度、高分辨率的 传感器。
存储器
铁电材料具有非易失性的 电滞回线，可以用于制作 铁电随机存储器（FRAM）。
换能器
利用铁电材料的压电效应 和热释电效应，可以制作 出高效能的换能器。
在传感器领域的应用
总结词
铁电材料在传感器领域的应用主要涉及压力传感器和振动传感器。
详细描述
由于铁电材料的压电效应，它们可以用于制造高灵敏度、低噪声和宽频带压力传 感器和振动传感器。这些传感器广泛应用于航空航天、汽车、机械和医疗等领域， 用于监测压力、振动和声学信号，并进行相应的控制和调节。
2023
总结词
铁电材料的原理与应用
铁电材料的原理与应用1. 什么是铁电材料铁电材料是一种具有特殊电非线性特性的材料。
它们可以在外电场的作用下产生自发的电极化，即具有永久电偶极矩的能力。
铁电材料的电极化可以通过改变外电场的极性来反转，这意味着它们可以用来存储信息。
铁电材料的特殊性质使其在电子学、光学、磁学、声学等领域具有广泛的应用。
2. 铁电材料的结构铁电材料通常具有特殊的晶体结构，称为铁电相。
这些相具有不对称的晶格结构，使得材料具有永久的电偶极矩。
铁电材料的典型晶体结构包括钙钛矿结构、层状结构和柱状结构等。
3. 铁电材料的原理铁电材料的主要原理是由于其晶体结构不对称。
当外电场作用于铁电材料时，材料内部的正负电荷会被拉伸和挤压，从而产生极化。
这种极化可以通过改变外电场的方向来反转，从而实现信息存储和控制。
4. 铁电材料的应用铁电材料由于其独特的电非线性特性和可逆极化，广泛应用于各个领域。
以下是几个主要的应用领域：•电子存储器：铁电材料可以用来制造非挥发性存储器，如铁电随机存取存储器（FeRAM）和铁电闪存。
相比传统的存储器，铁电存储器具有更快的写入速度、较低的功耗、较长的数据保持时间等优势。
•传感器：由于铁电材料的电极化可以通过外电场控制，因此可以用作传感器。
铁电传感器常用于压力传感器、加速度传感器、温度传感器等领域。
•电子器件：铁电材料的极化可以通过改变外电场的方向来实现电学调控，因此可以用于制造电子器件，如可变电容器（varactor）和压电陶瓷传动器（piezoelectric ceramic transducer）。
•光学器件：铁电材料在光学领域也有广泛的应用。
铁电材料可以用于制造电光调制器、光开关和偏振器等光学器件。
•声学器件：铁电材料具有良好的压电性能，可以将机械能转化为电能，因此常用于制造声波传感器、声纳和换能器等声学器件。
•生物医学领域：铁电材料在生物医学领域的应用也在不断拓展。
铁电材料可用于制造生物传感器、药物输送器和组织工程等方面。
铁电功能材料PPT课件
钙钛矿型铁电体的晶体结构由钙、钛和氧组成，具有自发极化效应，当受到外电场 作用时，自发极化方向会发生改变，从而表现出铁电性。
常见的钙钛矿型铁电体包括钛酸钡（BaTiO3）、锆钛酸铅（Pb（Zr,Ti）O3）等。
含铅铁电体
含铅铁电体是指含有铅元素的铁电体，其特点是具有较高的居里温度和 较大的压电系数。
含铅铁电体的晶体结构复杂，通常由多种元素组成，如锆、铌、铅、钛 等。这些元素在晶体结构中发挥着不同的作用，共同决定了铁电体的性
质。
常见的含铅铁电体包括锆铅酸钡（Ba（Zr,Pb）O3）、铌铅酸铅（Pb （Nb,Pb）O3）等。
其他类型铁电体
其他类型铁电体是指除了钙钛矿型和含铅铁电体之外的铁电 材料。这些材料的晶体结构和化学组成多种多样，因此其性 质也各不相同电 体、弛豫型铁电体等。这些材料在某些方面具有独特性质， 因此在特定领域有着广泛的应用。
04
铁电材料的发展历程
铁电材料的发现
铁电材料的发现可以追溯到19世纪末 期，当时科学家们开始研究晶体材料 的电学性质。
这种自发极化现象是铁电材料所特有 的，因此科学家们将这类材料称为铁 电体。
光吸收：某些铁电材料对特 定波长的光具有较高的吸收
系数。
04
05
光折射：铁电材料在不同电 场状态下表现出不同的折射
率。
热学性质
铁电材料在热学性质上具有 热释电效应、热膨胀和热传 导等特性。
04
热膨胀：铁电材料在温度升 高时，体积增大的现象称为 热膨胀。
01 03
•·
02
热释电效应：铁电材料在温 度变化时，产生电荷的现象 称为热释电效应。
磁学性质
01
02
03
04
弱磁性：铁电材料具有
常见的钙钛矿型铁电体包括钛酸钡（BaTiO3）、锆钛酸铅（Pb（Zr,Ti）O3）等。
含铅铁电体
含铅铁电体是指含有铅元素的铁电体，其特点是具有较高的居里温度和 较大的压电系数。
含铅铁电体的晶体结构复杂，通常由多种元素组成，如锆、铌、铅、钛 等。这些元素在晶体结构中发挥着不同的作用，共同决定了铁电体的性
质。
常见的含铅铁电体包括锆铅酸钡（Ba（Zr,Pb）O3）、铌铅酸铅（Pb （Nb,Pb）O3）等。
其他类型铁电体
其他类型铁电体是指除了钙钛矿型和含铅铁电体之外的铁电 材料。这些材料的晶体结构和化学组成多种多样，因此其性 质也各不相同电 体、弛豫型铁电体等。这些材料在某些方面具有独特性质， 因此在特定领域有着广泛的应用。
04
铁电材料的发展历程
铁电材料的发现
铁电材料的发现可以追溯到19世纪末 期，当时科学家们开始研究晶体材料 的电学性质。
这种自发极化现象是铁电材料所特有 的，因此科学家们将这类材料称为铁 电体。
光吸收：某些铁电材料对特 定波长的光具有较高的吸收
系数。
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光折射：铁电材料在不同电 场状态下表现出不同的折射
率。
热学性质
铁电材料在热学性质上具有 热释电效应、热膨胀和热传 导等特性。
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热膨胀：铁电材料在温度升 高时，体积增大的现象称为 热膨胀。
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热释电效应：铁电材料在温 度变化时，产生电荷的现象 称为热释电效应。
磁学性质
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弱磁性：铁电材料具有
铁电材料的研究与应用
铁电材料的研究与应用铁电材料是一种具有独特电学性质和应用潜力的新型材料。
铁电材料具有一种相对于外界环境而言，与温度、电场有关的物理量，称为铁电极化，这种极化可以通过外加电场的作用而产生和控制。
铁电材料具有极高的电容量和极低的电阻率，这些特性可以被用于开发各种新型电气设备和电子器件，例如电磁存储技术、声波过滤器、振荡器、传感器、压电器件等。
本文将介绍铁电材料的基本概念、材料分类、制备方法及其在电子器件和其他应用领域中的应用。
第一章铁电材料的基本概念铁电材料是一类具有铁电性质的晶体材料，其极化矢量可以被反转，正如磁性物质具有磁矩，而铁磁性物质具有可以反转的磁矩一样。
与磁性物质相似，铁电材料也具有铁电矩，其大小和方向可以被外加电场或压力改变。
铁电材料通常是由正负离子对构成的离子化合物，例如BaTiO3、Pb(Zr,Ti)O3等，其具有多个原子单元构成的晶格结构，因此具有独特的介电性质和铁电相变。
第二章铁电材料的分类铁电材料可以根据其结构和性质进行分类。
根据晶体结构，铁电材料可以分为离子式、共价式、氢键式和有机铁电材料等四类。
离子式铁电材料常见的有单晶陶瓷和熔融法生长的大尺寸单晶等。
共价式铁电材料通常为有机分子配位的金属氧化物或卤化物等。
氢键式铁电材料，在其分子间存在氢键，如简单的有机铁电分子、有机晶体材料、生物大分子等。
有机铁电材料是一种典型的有机分子铁电材料，其通过改变不同有机配体的结构实现了各种铁电材料的设计和制备。
第三章铁电材料的制备方法铁电材料的制备方法主要有固相法、溶胶-凝胶法、液相沉淀法、燃烧合成法等。
其中，溶胶-凝胶法是一种普遍采用的方法，它具有低温制备以及组分及形貌可控等优点。
其制备过程大致包括溶胶形成、凝胶形成、热处理等步骤。
例如采用溶胶-凝胶法制备Pb(Zr0.52Ti0.48)O3铁电材料的具体步骤为：先将铅、锆、钛醇酸铁酸酯和乙酸分别在甲醇中分散均匀，然后将它们混合并在常温下搅拌均匀24小时，经过减压浓缩和干燥，形成均匀的凝胶。
Unit 5 电介质材料(压电和铁电材料) 电子器件与工艺课件
自由电荷
电极
束缚电荷
自由电荷
图5-5束缚电荷和自由电荷排列示意图
2020/10/2
压电材料主要工程参数
通常压电参数测量用的样品或实际应用的压电器件，主要利 用压电晶片的谐振效应，当向一个具有一定取向和形状制成 的有电极的压电晶片输入电讯号, 其频率与晶片的机械谐振 频率一致时，应会使晶片由于逆压电效应而产生机械谐振， 这种晶片称为压电振子。压电振子谐振时，要产生内耗，造 成机械损耗。反映这种损耗程度的参数称为机械品质因数。
2020/10/2
压电陶瓷材料
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。
正电荷沿电场作用方向稍微位移，负电荷向反方向位移，形成
许多电偶极子，即发生极化。 电介质，电场导致极化表面有电荷。
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电极
束缚电荷
自由电荷
图5-5束缚电荷和自由电荷排列示意图
2020/10/2
压电材料主要工程参数
通常压电参数测量用的样品或实际应用的压电器件，主要利 用压电晶片的谐振效应，当向一个具有一定取向和形状制成 的有电极的压电晶片输入电讯号, 其频率与晶片的机械谐振 频率一致时，应会使晶片由于逆压电效应而产生机械谐振， 这种晶片称为压电振子。压电振子谐振时，要产生内耗，造 成机械损耗。反映这种损耗程度的参数称为机械品质因数。
2020/10/2
压电陶瓷材料
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。
正电荷沿电场作用方向稍微位移，负电荷向反方向位移，形成
许多电偶极子，即发生极化。 电介质，电场导致极化表面有电荷。
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9
自发极化的微观机制
极轴导致自发极化 热运动引起的自发极化 有序无序型极化
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10
极性轴导致的自发极化
+++++
-
-
+
+
- -+ - - -
++++
-
-
+
-
+
正
电+
荷- -
-
与
固
极 化 轴
C
负
有
电+ + 偶 +
荷- - 极 -
层
子
交
替+ +
+
排-
列
-
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11
由热运动导致的自发极化
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17
压电效应的物理机制
(1)压电单晶—典型 代表石英晶体
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 剩余电电荷而产生的。
x
x
x
x
y
(a)
y
y
(b)
(c)
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y
(d)
18
逆压电效应和电致伸缩效应的区别
0±5 ℃
－90±9 ℃
立方相
四方相
正交相
三方相
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29
临界特性
• 晶体在发生顺电-铁电相变或其它极化状态发生变化 的结构相变时，晶体的一系列物理性质发生反常变 化。例如晶体的介电性质、弹性、压电性、光学性 质、热学性质等大都出现明显的变化。晶体在相变 点附近发生的各种性能反常变化通称为临界现象。
铁电材料及其应用
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1
目录
• 引言 • 铁电薄膜的晶体结构 • 铁电薄膜的电性能 • 铁电薄膜的应用 • 总结
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2
什么是铁电材料？
铁 磁
磁 电
体
具有自发磁化 的现象
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铁 电 体
3
压电材料和铁电材料
压电材料：机械能与电能相互转换的功 能材料。 铁电材料：具有压电效应材料中， 能自发极化的一类材料。
研制出铁电薄膜 铁电薄膜和硅技术结合
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人物 Brewster Valasek
Busch Devonshire
6
铁电薄膜的晶体结构及自发极化
氧八面体排列
原胞
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7
钛酸钡晶体及自发极化
钛酸钡的氧八面体结构
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8
立方晶相：a = b = c， α = γ= β = 90° 四方晶相：a = b ≠ c， α = γ = β = 90° 正交晶相： a ≠ b ≠ c α = γ= β = 90° 三角晶相：a = b = c α = γ = β ≠ 90°
与逆压电效应的区别 电致伸缩效应 S 逆压电效应
E
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19
热释电性
热释电性：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 象称之为热释电性
压电体和热释电体的区别和联系
区别 因为温度变化引起晶体胀缩 无方向性，因此由政府电荷 中心位移产生的压电晶体并
铁电材料的发展历史和现状
罗息盐时期—发现铁电性 KDP时期—热力学理论 钙钛矿时期—软模理论 铁电薄膜及其器件时期—小型化
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5
时间 1824 1921 1935 1944
1949 1951 1964 1977 1993
事件 在罗息盐中发现热释电性 发现罗息盐具有铁电性
提出反铁电体概念 研制出铁电半导体(PTC)器件
• 介电性 • 压电性 • 热释电性 • 铁电性
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14
介电性
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15
压电性
压电效应：当晶体受到机械力的作用时，表面将产生束缚电荷，电荷密 度的大小和所受到的机械力成线性关系，这种由机械力产生电效应的过 程称之为压电效应。
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16
逆压电效应 机械能 压电介质 电能
正压电效应
压电效应及可逆性
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居里温度：铁电－顺电转变温度
• 当温度高于某一数值时，由于热扰动， 自发极化变为零，晶体将不再具备铁电 性，这一临界温度就称为居里温度Tc。
• 在居里点以下，由于存在自发极化，晶 体呈现铁电性，为铁电相。居里电以上， 材料为顺电相。 BaTiO3的例子：
顺电相
铁电相
铁电相
铁电相
120℃
大比例，其能量不足以克服氧离子电场作用，有可能偏离平衡位置向某一个
氧离子靠近，偶极矩间的相互作用使偏离平衡位置的离子在新平衡位置上固
定下来，并使这一氧离子出现强烈极化，发生自发极化，使晶体顺着该方向
延长，晶胞发生轻微畸变，由立方变为四方晶体。
•• °••
•
• °
图B
•
•
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13
铁电薄膜的电性能
D
B
A
F O
E
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C D
B
F O
E
A A B
O&C&F D
E
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25
Sawyer & Tower 电路
改进型的Sawyer & Tower 电路
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因为Cx和C0是串联的，故两个电容器上的电 荷是一样多的，即：
Qx =Qc=Q
因为样品的有效面积A和电容C是 已知的，A/C为常数 故U2与电位移D成正比。对于压电 陶瓷，εr>>1，故D≌P， 因此U2与P成正比
不产生热释电效应
联系 虽然温度变化引起晶体胀缩 无方向性，但是由于自发极 化偶极矩的存在使热释电晶
体具有压电效应
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20
铁电性
电畴的概念 畴：原子或离子有序排列的区域，畴与畴之间的边界叫做畴壁。
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21
E
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22
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90°畴壁 180°畴壁
23
自发极化 剩余极化 C 矫顽电场
在晶体中，如果晶胞中正负电荷中心不重合， 即每一个晶胞具有一定的固有偶极矩，由于 晶体结构的周期性和重复性，晶胞的固有偶 极矩便会沿同一方向排列整齐，使晶体处于 高度极化状态。这种在无外电场作用下存在 的极化现象称为自发极化
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一般介电材料
压电材料
压电材料
热释电材料
热释电材料
铁压电电材料材料
4
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27
电容器上的电压U2接到示波器的垂直致偏 电极上，垂直幅度Uy与电压U2成正比，也就 是说，示波器垂直幅度与电位移D（或极化 强度P）成正比。
水平致偏电极则接到电位器W的滑动接点上， 由于C>>Cx，故U>>U1，因此水平致偏电极之 间的水平幅度电压Ux正比于试样两端的电压 U1，而试样两端的电场强度E=U1/d，因此在 示波器上可以观察到P-E（或D-E）曲线，即 电滞回线。
氧八面体空腔体积大于钛离子体积，给钛离子位移的余地。
较高温度时，钛离子热振动能较大，难于在偏离中心的某一个
位置上固定下来，接近六个氧离子的几率相等，晶体保持高的
对称性，自发极化为零。
• •
°•
•
•
• °
•
•
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12
• 较低温度时，钛离子热振动能降低，因热涨落，热振动能特别低的离子占很