第六章-第三十讲(反铁电性)
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
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
+
铁电材料和反铁电材料
05
CATALOGUE
铁电材料与反铁电材料的前沿研究
多铁性材料的研究
多铁性材料是指同时具有铁电性和磁性的复合功能材料，其研究主要集中在探索 新型多铁性材料、提高材料的性能以及开发多铁性材料在电子器件和存储器等领 域的应用。
目前，科研人员正在研究如何通过合成和制备技术，获得具有优异性能的多铁性 材料，如高居里温度、高自发极化、低损耗等特性，以满足实际应用的需求。
性能优化与改性
铁电材料的性能优化
通过调整材料的化学组成、制备工艺和后处理方法，可以显 著提高铁电材料的各项性能指标，如自发极化、机电耦合系 数和居里温度等。这些优化措施有助于扩大铁电材料在电子 、信息、能源等领域的应用范围。
反铁电材料的性能改进
与铁电材料类似，反铁电材料的性能也可以通过优化合成工 艺和调整化学组分来提高。例如，通过引入掺杂元素或改变 晶体结构，可以增强反铁电材料的稳定性、提高其抗疲劳性 能和降低漏电流等。
铁电材料在电场作用下发生形变，形变量 与电场强度之间呈线性关系。
压电性
热电性
铁电材料在压力作用下产生电荷，电荷量 与压力之间呈线性关系。
铁电材料在温度梯度作用下产生电荷，电 荷量与温度梯度之间呈线性关系。
铁电材料的应用
传感器
利用铁电材料的压电性和热电性 等特点，制作出各种传感器，用 于测量压力、温度、加速度等物
03
CATALOGUE
铁电材料与反铁电材料的比较
结构比较
铁电材料
具有自发极化，在一定温度范围 内表现出电偶极矩的晶体。常见 的铁电材料有钛酸钡、锆钛酸铅 等。
反铁电材料
在一定温度范围内表现出相反的 电偶极矩，即反铁电态的晶体。 常见的反铁电材料有硫酸铵、硫 酸钠等。
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。
反铁电体电滞回线形状特点
反铁电体电滞回线形状特点1.引言1.1 概述概述部分的内容可以包括对反铁电体和电滞回线形状特点的简要介绍。
反铁电体是一种特殊的电性材料，具有非常独特的电滞回线形状特点。
在外加电场的作用下，反铁电体会出现明显的电滞现象，即在电场的变化过程中，其极化强度呈现非线性的变化趋势。
与铁电体相比，反铁电体不仅在电场的变化方向上有电滞现象，而且在反向电场下也会出现电滞现象。
反铁电体的电滞回线形状特点是其极化强度与外加电场之间的关系。
常见的反铁电体电滞回线形状特点包括S形、M形和P形等。
S形的电滞回线形状特点表现为在电场升高后，极化强度先是缓慢上升，然后急剧上升，最后趋于饱和。
M形的电滞回线形状特点表现为在电场升高过程中，极化强度先是缓慢上升，然后下降，再次上升，最后趋于饱和。
P形的电滞回线形状特点表现为在电场升高后，极化强度先是缓慢上升，然后急剧上升，最后趋于饱和，而在电场减小的过程中，极化强度则保持不变。
对于反铁电体电滞回线形状特点的研究具有重要的科学意义和应用价值。
了解反铁电体的电滞回线形状特点可以揭示其内部极化机制，为材料的设计和应用提供指导。
此外，反铁电体的电滞回线形状特点还可以用于存储器件、传感器和电场调控器件等领域的应用，具有广泛的市场前景。
本文将系统地探讨反铁电体电滞回线的形状特点，通过对已有研究成果的综述和分析，总结出其常见的形状特征，为进一步的研究和应用提供依据。
同时，对未来的研究方向和展望进行探讨，期望能够推动反铁电体研究领域的发展，为相关领域的技术创新和应用开发做出贡献。
1.2 文章结构文章结构部分的内容可以从以下几个方面进行叙述：首先，介绍文章的整体结构。
可以简要描述文章分为引言、正文和结论三个主要部分，并说明每个部分的重点内容。
引言部分主要概述了反铁电体电滞回线形状特点的研究背景和意义，正文部分详细介绍了反铁电体的定义以及电滞回线的形状特点，结论部分对反铁电体电滞回线形状特点进行总结，并展望了未来的研究方向。
铁电和反铁电以及钙钛矿结构的概念
汇报人：
CONTENTS
PRT ONE
PRT TWO
铁电：具有自发极化且在外加电场作用下极化方向会发生改变的材料。 反铁电：具有自发极化但在外加电场作用下极化方向不会发生改变的材料。 铁电材料：如钛酸钡、铌酸锂等。 反铁电材料：如铌酸锂、钛酸钡等。
铁电性：材料在电场作用下产生极化且极 化方向与电场方向一致
铁电、反铁电和钙钛矿结构之间的相互联系还可以通过实验和理论研究来进一步探索和揭示。
添加标题
铁电材料：具有自发极化可用于制造压电陶瓷、铁电存储器等
添加标题
反铁电材料：具有反铁电特性可用于制造反铁电存储器、反铁电晶体管等
添加标题
钙钛矿结构：具有光电特性可用于制造太阳能电池、发光二极管等
添加标题
铁电、反铁电和钙钛矿结构在材料科学中的相互关系：铁电和反铁电材料具有相似的结构钙 钛矿结构则是一种新型光电材料三者在材料科学中有着广泛的应用前景。
晶体结构：具有BX3型结构其中、B可以 是金属离子X可以是卤素离子
晶体对称性：具有立方对称性属于立方 晶系
晶体形态：通常为立方体或八面体具有 多晶型性
晶体颜色：颜色多样如蓝色、绿色、红色 等与、B、X离子种类和含量有关
晶体稳定性：具有较高的热稳定性和化 学稳定性但在空气中容易氧化
光电性能：具有优异的光电性能如光吸收、光发射、 光电导等可用于太阳能电池、光电探测器等领域
铁电材料：具有自发极化可用于制造存储器、传感器等电子设备
反铁电材料：具有反铁电特性可用于制造高性能电子器件
钙钛矿结构：具有优异的光电性能可用于太阳能电池、LED等领域
铁电、反铁电和钙钛矿结构在电子学中的应用：三者结合可以制造出高性能、多功 能的电子设备如多功能传感器、高性能存储器等。
第六章铁电性能和压电性能_材料物理.
(a)
(b)
(c)
0.1m
0.1m
1.0m
多晶LiTaO3晶粒内箭尾型90电畴结构与曲流状180电畴结构
(a)
(b)
0.1m
0.2m
多晶LiTaO3晶粒内薄片状和箭尾型90电畴结构
(a)
(b)
0.4m
0.2m
多晶LiTaO3晶粒内90尖劈状畴与180曲流状畴
(a)
(b)
离子位移理论
正方结构BaTiO3中， Ti4+ 、O2-离子的位移情况 两 个 O2- 离 子 间 的 空 隙 大于 Ti4+ 离子的直径， 其在氧八面体内有位移 的余地，温度较高时 （大于120°C），离子 热振动能较大，因此 Ti4+ 离 子 接 近 周 围 6 个 O2- 离 子 的 几 率 相 等 ， 晶胞内不会产生电矩， 自发极化为0。 温度降低（小于 120°C）， Ti4+离子 热振动能降低，热振 动能特别低的 Ti4+ 不 足以克服 Ti4+ 和 O2- 离 子间的电场作用，就 有 可 能 向 某 一 个 O2离子靠近，发生自发 位 移 ， 使 这 个 O2- 离 子发生强烈的电子位 移极化。 晶体沿着这个 方向延长，晶 胞发生畸变， 晶体从立方结 构转变为四方 结构，晶胞中 出现了电矩， 即发生了自发 极化。
-----铁电体的最重要判据 -----铁电体具有许多独特性质的主要原因
热释电体 (Pyroelectrics)：具有自发极化的晶体--极性晶体 铁电体是热释电体的一个亚族
铁电态下，晶体的极化与电场的关系：电滞回线，铁电态 的一个标志。
Ps－饱和极化强度
Pr－剩余极化强度（remanent polarization）
第六章-第三十讲(反铁电性)
向有序，其偶极矩反向有序排列。
原点处偶极子
1
在
r 处电场为：
E
1
4
0
31
r5
r r
1
r3
+ 1
-
+
r
2
-
在r处置另一偶极子 2 ，则两个偶极子间互作用能:
W
E
2
1
4 0
3 r5
1
r2
r
1 2 4 0r 3
反铁电体
当 μ1 μ2 r
W11
21 2 4 0r 3
为极小值
+
μ2
-
+ 1
-
当
1
反平行
μ2
r
W11
21 2 4 0r 3
-
μ2
+
+
1
-
为极大值
反铁电体
当 μ1 μ2 r
W
1 2 4 0r 3
为极大值
+ +
1
r
μ2
-
-
当 1反平行 μ2 r
W
12 4 0r 3
为极小值
+
-
1
μ2
-
Байду номын сангаас
+
反铁电体
两个孤立偶极子，它们平行与r时，两偶极子平行排 列稳定；
两个孤立偶极子，它们垂直与r时，两偶极子反平行 排列稳定 ；
Ea E S1Pa S2 Pb
E为宏观平均电场
Eb E S1Pb S2 Pa
S1、S2为结构系数
反铁电体
• 对a和b两个子晶格本身而言，结构完全相同
反铁电体的晶体结构特点
反铁电体的晶体结构特点反铁电体是一种特殊的晶体材料，其独特的晶体结构赋予了其独特的物理性质。
本文将详细介绍反铁电体的晶体结构特点，并阐述这些特点与其物理性质之间的关系。
一、反铁电体的晶体结构反铁电体的晶体结构可以理解为由正负电荷中心交替排列而成。
这种结构的特点是正负电荷中心不重合，形成一个电偶极子。
这种电偶极子的取向有序，构成了反铁电体的晶体结构。
二、反铁电体的晶体结构特点1. 电偶极子的有序排列反铁电体的一个显著特点是其电偶极子的有序排列。
在反铁电体中，正负电荷中心不重合，形成一个电偶极子。
这些电偶极子在整个晶体中呈现出有序的排列，这种有序性是反铁电体区别于其他材料的重要标志。
2. 晶体结构的对称性反铁电体的晶体结构具有高度的对称性。
这种对称性使得反铁电体在外部电场作用下，其内部电偶极子的取向可以发生改变。
这种取向改变是反铁电体具有独特物理性质的关键因素之一。
三、反铁电体的晶体结构与物理性质的关系反铁电体的晶体结构与其物理性质之间存在着密切的联系。
一方面，反铁电体的晶体结构决定了其内部电偶极子的排列方式和取向。
另一方面，反铁电体的物理性质又受到其晶体结构的影响。
例如，反铁电体的光学性质就与其晶体结构密切相关。
由于反铁电体中电偶极子的有序排列，使得其具有了特殊的介电常数和光学性质。
在一定波长范围内，反铁电体可以表现出强烈的线性光学吸收和光学散射效应，这使得反铁电体在光电子器件、光信息存储和光传感等领域具有广泛的应用前景。
此外，反铁电体的机械性质也与其晶体结构密切相关。
由于反铁电体中电偶极子的存在，使得其具有了较高的硬度、韧性和耐磨性等机械性能。
这些优良的机械性能使得反铁电体在制造微纳机械器件、微型齿轮、微泵等微型机械部件方面具有广泛的应用前景。
四、结论反铁电体是一种具有特殊晶体结构的材料，其内部正负电荷中心不重合形成的电偶极子的有序排列是反铁电体的标志性特征。
这种有序排列不仅决定了反铁电体的内部结构和物理性质，同时也为其在光学、机械等领域的应用提供了广阔的前景。
铁电性课件
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。
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6-4）， 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。
居里-外斯常数C 大约在103数量级的为第 二类，这类铁电体的微观相变机制属于有 序-无序型，主要包括KDP、TGS、罗息盐和 NaNO2等。C数量级大约在10的为第三类铁 电晶体，属于这一类的典型晶体是 (NH4)2Cd2(SO4)3。这类铁电体的相变机制 目前尚未详细研究，也无专门的名称。
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。
Dielectric constant of BaTiO3
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
反铁电体的应用原理
反铁电体的应用原理1. 反铁电体概述反铁电体是一种特殊的材料，具有反转电极化方向的特性。
它在应用中具有广泛的潜力，特别是在电子存储、传感器和能量转换等领域。
2. 应用领域2.1 电子存储•反铁电体在非挥发性存储器中发挥重要角色。
由于其能够保持较长时间的电极化状态，在电子存储领域具有广泛的应用前景。
•反铁电体材料被广泛用于存储器中的单元电容器，可以在不需要电流的情况下实现存储和读取操作。
这种存储器具有快速读写速度和低功耗的特点。
2.2 传感器•反铁电体材料在传感器应用中有着重要的地位。
其特殊的电介电性质使其成为压力传感器、温度传感器和湿度传感器等领域的理想材料。
•反铁电体材料可以利用外界的压力、温度或湿度等条件来改变其电极化状态，从而实现传感器的灵敏检测和响应。
2.3 能量转换•反铁电体材料具有压电和热电效应，可以将机械能和热能转换成电能。
这为能量收集和转换提供了新的途径。
•反铁电体材料在能量转换领域有着广泛的应用，包括压电发电、热电发电和能量收集等方面。
3. 应用原理反铁电体的应用原理主要包括两个方面：反转电极化和栅极控制。
反转电极化：•反铁电体材料具有极化方向可逆的特性。
施加电场可以将反铁电体的极化方向从一个极性反转为另一个极性。
•这种反转电极化的现象使得反铁电体材料成为存储器和传感器等应用的理想选择。
栅极控制：•反铁电体材料的电极化状态可以通过施加栅极电压进行控制。
当栅极电压超过一定阈值时，可以实现反转电极化。
•这种栅极控制的机制使得反铁电体材料在存储和传感器应用中具有可编程性和调控性。
4. 优势与挑战4.1 优势•反铁电体材料具有较长时间的电极化保持能力，使其在非挥发性存储器领域具有潜力。
•反铁电体材料具有压电和热电效应，可用于能量转换和收集。
•反铁电体材料具有灵敏的传感特性，可用于传感器应用。
4.2 挑战•反铁电体材料的制备和工艺具有一定的复杂性，需要解决晶体生长、极化和控制等关键技术问题。
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
电容器介质陶瓷反铁电体
二 反铁电介质陶瓷的特性和用途
反铁电体的宏观 特征：具有双电 滞回线
1 反铁电介质陶瓷特征：具有双电滞回线
E<E临:P与E呈线性关系
E临<E< E饱和:电滞回线
E饱和 E临
E> E临反铁电相被迫转 变为铁电相—强迫相变
E> E饱和:线性
电滞回线斜率为介
电系数
反铁电体介电系数和电容量随电场强度
（1）优良的储能材料，利用反铁电相-铁 电相的相变可作储能电容器应用；
（2） 以PbZrO3 为基的反铁电材料相变 场强较高，一般为40-100KV/cm可用于 制作高压陶瓷电容器 ；
（3） 反铁电相-铁电相的相变形变， 可作电-机换能器，不需要共振频率。
三 反铁电陶瓷的组成、性质和生产工艺
反铁电陶瓷由PbZrO3或以PbZrO3为基
的变化规律：
E<E临:定值 E临<E<E饱和:先
逐渐增大，再逐 渐减低
E饱和<E:定值
反铁电体与铁电体的主要不同：
当外电场降至零时，反铁电体没有剩余极化， 而铁电体则有剩余极化。
反铁电体与铁电体
注意：除外电场外，温度、压力也能诱
导反铁电相向铁电相转变，呈现双电滞回
线——强迫相变
2 反铁电介质陶瓷用途
一 反铁电体的晶体结构
线性介质的微观结构特征是没有自发极化； 铁电介质微观结构特征是具有很强的自发极化。
C1
B1
A1
反铁电体宏观特征：具有双电滞回线
低压时:P与E呈线性关系 高压时: P与E呈明显的非线性关系
反铁电体微观结构特征：
居里温度以上为立方相 居里温度以下为反铁电相 PbZrO3Tc=230℃
反铁电聚合物
反铁电聚合物
4. 宽温度范围：反铁电聚合物的反转性质通常可以在较宽的温度范围内保持稳定。
反铁电聚合物在电子器件、储能技术、传感器、非易失性存储器等领域具有广泛的应用潜 力。例如，反铁电聚合物可用于制造高性能的电容器，能够实现高能量密度和快速充放电的 特性。此外，反铁电聚合物还可以用于制备高分辨率的显示器件、电致变色材料等。
反铁电聚合物
反铁电聚合物（Antiferroelectric Polymers）是一类特殊的其分子极性会发生周期性的反转，而 不是单向的极性反转。
反铁电聚合物的反转机制是由于分子内部存在两个相互抵消的极性区域，当外电场作用于 材料时，这两个极性区域会交替发生反转，从而导致整个材料的极性周期性反转。这种周期 性的极性反转使得反铁电聚合物具有一些独特的性质和应用潜力。
反铁电聚合物
反铁电聚合物具有以下特点：
1. 高极化：反铁电聚合物具有较高的极化值，可以在外电场的作用下产生较大的极化反转 效应。
2. 快速响应：由于反铁电聚合物分子内部的极性区域反转速度较快，因此其响应速度相对 较快。
3. 低电压操作：相比于铁电材料，反铁电聚合物通常可以在较低的电压下实现极化反转。
反铁电材料应用
反铁电材料应用
反铁电材料是指在一定温度范围内具有可逆的电场诱导偏极化现象的材料。
与传统铁电材料不同的是，反铁电材料在电场作用下会完成一次从正极化到负极化的翻转过程。
反铁电材料的应用主要包括：
1. 存储器件：反铁电材料可以用于制造高密度存储器件，如非揮發性存储器（NVM）和忆阻器（RRAM）。
反铁电材料的
具有高可靠性和长寿命的特点，使其成为存储器件中的重要材料。
2. 能量储存和传输：反铁电材料具有高电场强度和高压电效应，可以用于制造超级电容器和高效率的电能储存器件。
另外，反铁电材料也可以用于制造压电发电机，将机械能转化为电能。
3. 传感器：反铁电材料的偏极化和翻转可以通过改变材料的电阻、电容和介电常数来影响电路的性能。
因此，反铁电材料可以用于制造各种传感器，如压力传感器、温度传感器和加速度传感器等。
4. 光学器件：反铁电材料的偏极化和翻转也可以通过改变材料的折射率和吸收系数来调节光学器件的性能。
因此，反铁电材料可以用于制造光电调制器、光开关和可调谐滤波器等。
总之，由于其独特的电学和光学性能，反铁电材料在存储器件、
能量储存和传输、传感器和光学器件等领域具有广泛的应用前景。
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1 2 为极大值 W 3 4 0 r
+
1 2 为极小值 W 3 4 0 r
+
1
r
+-
+
反铁电体
两个孤立偶极子，它们平行与r时，两偶极子平行排
列稳定； 两个孤立偶极子，它们垂直与r时，两偶极子反平行 排列稳定 ； 三维晶格而言，对于简立方晶格反平行排列状态， 静电作用能最低。
反铁电体
当 μ1 μ2 r
21 2 为极小值 W11 3 4 0 r
+
μ2
当 1 反平行 μ2 r
21 2 W11 4 0 r 3
μ2
为极大值
-
+
+ +
1
1
-
-
反铁电体
当 μ1 μ2 r
当 1 反平行 μ2 r
晶体的自发极化与铁电性质
反铁电性
反铁电体与相变
当电介质晶体的晶胞自发极化出现时，相邻晶胞的电矩同向排列 而出现铁电性，相邻晶胞的电矩反向排列，形成两组反向极化的 晶胞，在宏观上对外不显示自发极化强度，没有电滞回线，在外 场的作用下，可以使其中反向排列的电矩取向反转，于是，所有 电矩同向排列。晶体的这种性质称反铁电性； 反铁电性与铁电体相同之处：晶体结构与同型的铁电体相近，温
1
r
0 r 0
1 S2
反铁电体，在居里点
2
γ1=γ时，两个子晶格在相同方向上产生自发极化， 相当于极性晶体; γ2=γ时，两个子晶格在反方向产生自发极化，相当 于反极性晶体。
反铁电体
γ2=γ时，有：
2E S1 S 2 Pa Pb
介电常数： P 2 0 r 0 0 E S1 S 2 对于铁电体：在居里点
S 2 Pa S1 Pb E
反铁电体
• 当外场E = 0时
Pa和Pb非零条件为：
S1 S
S2 S1
0
Pa S2 Pb S1
1 S1 S 2
2 S1 S 2
1
2
I. II.
Pa Pb
Pa Pb
反铁电体
反铁电晶胞：
• 反平行偶极子晶格A的单位晶胞不再是原来的简立方，在垂直于 偶极子轴向，晶格周期增加了一倍，形成超晶格结构，这种超晶 格结构可看成由两个子晶格套构而成，每一个晶格偶极子平行排
列，两套子晶格作反向排列。
• 设两个子晶格a和b，晶位a和b上的离子发生反向或同向位移，晶 体的总极化强度P为两子晶格极化强度Pa和Pb之和，作用在晶位a
E 1 31 r 1 5 r 3 4 0 r r
+
r
+
1
-
2
-
在 r 处置另一偶极子 2 ，则两个偶极子间互作用能:
1 3 1 2 1 r 2 r W E 2 5 4 0 r 4 0 r 3
度升高，反铁电体相变到顺电相结构，反向自发极化消失，居里
点TO处将出现反常，在相变温度TC以上，介电常数遵守居里— 外斯定律，在相变温度TC以下变成对称性较低的反铁电相。
电 滞 回 线
反铁电体
锆酸铅PbZrO3是有名的钙钛矿结构反铁电体，Pb2+离子反
向有序，其偶极矩反向有序排列。
原点处偶极子 1 在 r 处电场为：
和b上的有效电场Ea和Eb：
Ea E S1 Pa S 2 Pb Eb E S1 Pb S 2 Pa
E为宏观平均电场
S1、S2为结构系数
反铁电体
• 对a和b两个子晶格本身而言，结构完全相同
Ea Pa
Eb Pb
γ比例系数
S1 Pa S 2 Pb E