钙钛矿型弛豫铁电体
铁电材料的研究热点
铁电材料的研究热点摘要：铁电材料具有优秀的电学性能，其电子元件集成度高、能耗小、响应速度快。
目前研究者将铁电材料同其它技术相结合，使新诞生的集成铁电材料性能更为优秀。
本文介绍了有压电材料、储能用铁电介质材料、有机铁电薄膜材料、多铁性材料、铁电阻变材料的研究状况。
关键词：铁电；压电材料；铁电储能；有机铁电薄膜材料；多铁性材料；铁电阻变1 铁电材料的研究背景铁电体早在20世纪40年代就引起物理学界的关注，但由于大快铁电晶体材料不易薄膜化，与半导体和金属不相兼容，使其未能在材料和信息领域扮演重要的角色，随着薄膜技术的发展，克服了制备高质量铁电薄膜的技术障碍，特别是能在不同衬底材料上沉积高质量的外延或择优取向的薄膜，使铁电薄膜技术和半导体技术的兼容成为可能。
由于人工铁电材料种类的不断扩大，特别是铁电薄膜技术和微电子集成技术长足发展，也对铁电材料提出了小型化，集成化等更高要求，正是在这样的研究背景下，传统的半导体材料和陶瓷材料结合而形成新的叫交叉学科——集成铁电学（Integrated Ferroc-Icctrics）出现了，并由此使铁电材料及其热释电器件的研究开发呈现了两个特点：①是由体材料组成的器件向薄膜器件过渡；②是由分立器件向集成化器件发展。
集成铁电体是凝聚态物理和固态电子学领域的热门课题之一。
铁电材料有着丰富的物理内涵，除了具备铁电性之外，还具有压电性、介电性、热释电性、光电效应、声光效应、光折变效应以及非线性光学效应等众多性能，可用于制备电容器件、压力传感器、铁电存储器、波导管、光学存储器等一系列电子元件，铁电材料因其广阔的应用前景而倍受关注。
目前的铁电器件往往仅单独用到了铁电材料中的单一性能，如压电性或者热释电性。
将铁电材料中的性能综合在一起或者将铁点技术同半导体等其他技术结合在一起的集成铁电材料有着更为强大的功能。
铁电材料的研究进展主要包括[1]：①提高现有材料的单一性能，儒压电材料中准同型相界以及合适的晶格取向会大幅度提高压电系数。
《Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的弛豫与储能特性调控》范文
《Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的弛豫与储能特性调控》篇一一、引言随着现代电子技术的飞速发展，铁电材料因其独特的电性能和物理特性在微电子器件、传感器和储能器件等领域得到了广泛的应用。
Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜作为一种新型的铁电材料，具有优异的电性能和良好的稳定性，在铁电存储器、传感器和储能器件等领域具有巨大的应用潜力。
本文将重点探讨Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的弛豫与储能特性调控，为进一步优化其性能提供理论依据。
二、Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的弛豫特性Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的弛豫特性主要表现在其电性能随时间的变化。
在电场作用下，薄膜内部的极化过程会受到温度、频率和电场强度等因素的影响，导致其电性能发生弛豫现象。
为了研究这一现象，我们采用了多种实验手段，如介电谱、铁电测试等，对Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的弛豫特性进行了深入分析。
首先，我们通过介电谱测试得到了薄膜在不同温度和频率下的介电常数和介电损耗。
结果表明，随着温度的升高和频率的降低，薄膜的介电常数逐渐增大，而介电损耗则呈现出先减小后增大的趋势。
这表明在一定的温度和频率范围内，Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜具有良好的弛豫特性。
其次，我们利用铁电测试手段对薄膜的极化过程进行了研究。
结果表明，在电场作用下，薄膜内部的极化过程具有明显的滞后现象，即极化强度随时间逐渐增大并达到饱和状态。
这一过程与温度、频率和电场强度等因素密切相关，进一步证实了Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜具有良好的弛豫特性。
三、Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的储能特性调控为了进一步提高Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的储能性能，我们对其进行了多种调控手段的研究。
首先，通过改变薄膜的制备工艺参数，如沉积温度、气氛和退火时间等，可以有效地调控薄膜的微观结构和成分，从而影响其储能性能。
其次，通过引入掺杂元素或制备复合材料等方法，可以进一步提高薄膜的储能密度和效率。
铁电体的分类及制备技术
含铋层状结构
铋层状结构化合物是由二维的钙钛矿 和( Bi2O2)2+层按一定规则共生排列 而成. 化学通式为( Bi2O2)2+(Am1BmO3m+ 1)2-, 其中, A为B3+、 Pb2+、Ba2+、Sr2+、Ca2+、Na+、 K+、La3+、Y3+、U3+、Th4+等适 合12配位的+1、+2、+ 3、+ 4价离 12 +1 +2 + 3 + 4 子或由它们组成的复合离子,B为 Co3+、Cr3+、Zr4+、Ti4+、Nb5+、 Ta5+、W6+、M6+等适合于八面体 配位的离子或由它们组成的复合离子, m为整数, 称为层数, 即钙钛矿层的层 数, 其值可为1~ 5.以 CaBi4 Ti4O15 为例, ( Bi2O)2+为氧化铋 层,( CaBi2Ti4O13)2–为钙钛矿层, 在 钙钛矿层中A为 ( Ca2Bi2), B为Ti4, m= 4 右图为典型晶体结构示意图.
烧绿石型结构
烧绿石是矿物学上的一类矿物, 其通 用化学表达式为A2B2X6X′。其中, A 位可以容纳低价的离子半径为 01087—01151nm的阳离子(Bi , In, Tl , Pb2+,Sc, Cd, Hg2+, Ca, Sr, Mn2+,Sn2+或RE(镧系元素或Y)等) ; 而B位可以容纳有八面体配位的离子 半径在01040—01078nm的过渡金属 离子(Ru, Sn, Ti ,Mo, Mn, V, Ir, Te, Bi , Pb, Sb, Zr, Hf , Mg, Cu,Zn, Al , Cr, Ga, Rh等) ;烧绿石中的阴离子一 般是O2-、OH-、F-等[25, 26]。基于 离子尺寸和电荷考虑,烧绿石型结构 有两种公认的组成: (A3)2(B4+)2X6X′( Ⅲ—Ⅳ烧绿石)和 (A2+)2(B5+)2X6X′(Ⅱ—Ⅴ烧绿石)
电介质物理_西安交通大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年
电介质物理_西安交通大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年1.非线性光学效应仅存在于光强很高的情况答案:正确2.BaTiO3为位移型铁电体。
答案:正确3.电畴的形成是系统自由能取极大值的结果。
答案:错误4.铁电体中电畴不能在空间任意取向，只能沿晶体的某几个特定晶向取向，电畴所能允许的晶向取决于该种铁电体原型结构的对称性，即在铁电体的原型结构中与铁电体极化轴等效的晶向。
答案:正确5.自由晶体受热时热释电效应是第一类效应和第二类效应之和答案:正确6.热释电材料和铁电材料属于压电材料。
答案:正确7.经过极化处理后，铁电体的剩余极化强度是不稳定的且随时间而衰减，从而造成其介电，压电，热释电性质发生变化，这种现象就是铁电体的陈化。
答案:正确8.自发极化能被外电场重新定向的热释电晶体就是铁电体；铁电体的电畴结构受铁电体原型结构对称性的限制。
答案:正确9.铁电体的表观特征是具有电滞回线，描述了极化强度和电场强度之间的滞后关系，从该曲线可以直观观察到的两个物理量是剩余极化和矫顽场。
答案:正确10.具有自发极化的晶体称为热释电体，在温度变化时可以释放电荷，该效应与电卡效应互为逆效应。
答案:正确11.自发极化只存在具有单一极轴的点群中，共有21种。
答案:12.沿x3轴极化的压电陶瓷通过坐标变换后，有哪些独立分量（）答案:13.以下哪个材料不是铁电体或反铁电体材料（）答案:Al2O314.室温下将铁电四方BaTiO3陶瓷极化，其饱和极化强度与晶体自发极化强度的关系是（）。
答案:15.沿x3轴极化的压电陶瓷的弹性柔顺系数的独立分量为：s11、s12、s13、s33、s44、s55。
答案:错误16.应力张量【图片】与以下哪个应力张量等价（）答案:17.沿x3轴极化的压电陶瓷为4mm点群，属于四方晶系，则X3轴为四次轴绕X3轴进行四次旋转对称操作，则产生的下标变换关系为：1→2、2→-1、3→3。
答案:正确18.晶体中有8种宏观对称操作，共构成32种晶体学点群，其中11种晶体学点群具有对称中心，10种晶体学点群具有单一极轴。
(1-x)PST-xPZT铁电陶瓷的介电与热释电性能研究
(1-x)PST-xPZT铁电陶瓷的介电与热释电性能研究1蓝德均、江一杭、陈异、陈强、肖定全、朱建国*(四川大学材料科学与工程学院 四川成都 610064)E-mail: nic0400@摘要：以普通氧化物混合烧结法制备了高钙钛矿相的(1-x)PST-xPZT铁电弛豫陶瓷。
发现烧结温度和PZT掺入量对样品中的焦绿石相的存在影响很大。
样品的钙钛矿相成分随烧结温度升高而增加。
介电性能测试表明(1-x)PST-xPZT铁电弛豫陶瓷具有弥散型介电响应特征，(1-x)PST-xPZT铁电弛豫陶瓷的居里点T c和压电常数d33随PZT的掺入量的增加而增加。
室温下x=0.1的(1-x)PST-xPZT陶瓷样品的热释电系数可达到约15×10-8C/(cm2.K)。
关键词：PST－PZT陶瓷；弛豫铁电陶瓷；钙钛矿相；一步烧结制备1．引言钽钪酸铅Pb(Sc1/2Ta1/2)O3（PST）是一种热释电性能优良的典型B位复合铅基钙钛矿弛豫铁电陶瓷[1～3]。
由于纯PST的居里点较低（-5℃－25℃），需要在约1500℃的高温下烧结才能获得致密、具有钙钛矿结构且性能良好的材料[4]，从而限制了PST陶瓷材料的应用领域。
为了避免会引起陶瓷性能恶化的焦绿石相的形成，通常制备B位复合铅基钙钛矿驰豫铁电陶瓷的方法是先驱体法，即先将B位化合物或一种B位组份与一种A位组份[5]先行在高温下进行焙烧，制备出一种中间材料后再将组成陶瓷的其它组份化合物与前驱体混合后烧结得到所需的陶瓷。
但是有也研究表明[6,7]，用传统电子陶瓷制备工艺（以下简称一步法，One-Step-Sintering Method，OSSM），也可以制备出B位复合纯钙钛矿相陶瓷材料。
由于一般二元系的准同型相界（Morphotropic Phase Boundary,MPB）是一个范围很窄的区间，通过MPB成分的调整而达到调整材料综合性能的自由度很小；但对于三元或更多元系来说，其准同型相界一般是曲线甚至是曲面，故而在MPB附近进行组分调控可望进一步优化材料的综合性能[8]。
退火温度对
退火温度对Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3薄膜结构和性能的影响赵媛媛，胡广达（济南大学材料科学与工程学院，山东济南250022）摘要：采用溶胶-凝胶法在LaNiO3/Si(100)衬底上制备Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3薄膜，退火温度在500℃~650℃之间，主要研究了退火温度对薄膜结构和性能的影响。
结果表明：提高退火温度可以有效地抑制焦绿石相，改善薄膜的电学性能。
值得注意是我们得到纯钙钛矿相结构薄膜的退火温度降低至600℃，650℃下退火薄膜在10μm×10μm测试区域内的平均压电响应高达~180pm/V。
关键词：溶胶-凝胶法；Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3薄膜；退火温度；压电响应Effect of The Annealing Temperature on The Structure and Properties ofPb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3Thin FilmZHAO Yuanyuan,HU Guangda(School of Materials Science and Engineering,University of Jinan,Jinan250022,China) Abstract:The Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3thin films were deposited on LaNiO3/Si(100)substrates annealed at the temperature ranging from500℃to650℃by a sol-gel method.The effect of annealing temperature on the structure and properties of Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3thin film was investigated.The experimental results show that the pyrochlore phase can be effectively suppressed by increasing annealing temperature.At the same time,the electric properties of films were improved.The annealing temperature required to obtain the film with a pure perovskite phase can be lowered to600℃.It was noteworthy that the average piezoelectric coefficient of the film annealed at650℃in the10μm×10μm detected areas was as high as180pm/V.Key word:Sol-gel method;Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3thin film;annealing temperature;piezoresponsePb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)是一种典型的弛豫铁电体材料，它在准同型相界处具有大的压电响应和大的机电耦合系数，因此使其在微机电系统(MEMS)中有很大的应用前景[1]。
铁电材料介绍课件
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
PCMP
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
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？？
PCMP
PCMP
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
ABO3型钙钛矿结构
PCMP
ABO3型钙钛矿晶胞结构
PCMP
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。
压电陶瓷材料的研究进展与发展趋势_李环亭
现 代技术 陶瓷
的驱动力 , 更好的压电性能 。 P Z T 压电厚膜材料 已被广泛地应用于制造微型机械泵 、 厚膜微致动 器 、高频声纳换能器 、压力传感器 、微机械谐振 器 、压电加速度转换器 、 新型超声复合换能器 、 弹性波传感器 、 光纤调制器 、压电多层致动器 、 微 电子机械系统 ( M E M S ) 器件等
价值的压电陶瓷 , 这是压电材料的一个飞跃 。 1955 年 J a f f e 等在系统地研究各种钙钛矿型 化合物固 溶体 性能 和结 构 的基 础上 , 发 现 P Z T ( 锆钛酸铅 ) 压电陶瓷在因成分变化引起的所谓 准同型相界或同质异晶相变成分 ( X= 0. 52 ) 附 近 , 四方相和三角相共存 , 相变激活能低 , 只要在 微弱电场的诱导下 , 就能发 生晶相结构的 转变 , 极化处理时可以获得高压电活性和高介电常数 , 压电常数是 B a T i O 3的两倍 , 且其各方面的性能比 B a T i O 3陶瓷好得多 , 具有 耦合系数 大 、压电 性更 强、 居里温度高和可通过变更成分在很大范围内 调节性能以满足多种不同需要等优点 。 因此 , P Z T 压电陶 瓷一经出现就 得到各国研究者 的重 视 , 并迅速在电子 、光 、热 、声等领域得 到广泛的 应用 。 1965 年松下电器公司的研究人员在 P Z T 的 组成中加入 P b ( M g b O 铌镁酸铅 ) , 试制 1/ 3 N 2/3 ) 3( 成功了三元系压电陶瓷 , 取 名为 P C M 。 此后 ,
2009年第 2 期 ( 总第 120期 )
碍了极化 , 使 Q m提高 。 当掺杂量超过一定量时 , M n 除了进入晶格之 外 , 多余的部分聚 集在晶界 处 , 阻碍了晶粒的生长 , 降低了晶粒分 布均匀性 和晶粒强度 , Q 相对降低 。 m
掺杂对PZT压电陶瓷的影响及研究进展
张静,江平,王安玖,张元松,官瑶,褚涛（贵州振华红云电子有限公司，贵州贵阳550025）PZT压电陶瓷材料制备的基础上，总结出生产掺杂PZT材料的最佳掺杂条件，以及配方对压电陶瓷性能的影响，只要工艺合适，性能完全能再提高，对压电陶瓷材料的发展趋势进行了展望。
压电陶瓷；掺杂改性；取代1引言压电陶瓷作为功能陶瓷的重要组成部分，在19世纪80年代，居里兄弟发现压电效应后，得到了踊跃的研究及迅速的发展。
目前具有压电效应的研究主要在三个方面：压电陶瓷、压电高分子、压电晶体，压电性能最好的是压电陶瓷。
压电陶瓷作为一种重要的力-电敏感性强的功能材料，已经在传感器、超声换能器、微位移器和其它电子元器件等方面得到了广泛的应用。
并且因其低成本、高压电转换的优点，随着加工工艺的进步及优化，它在航空航天、电子、信息等高科技方面有着很高的研究及应用价值[1]。
空位浓度对压电陶瓷的制备工艺及性能均有较大的影响。
上个世纪50年代，PZT压电陶瓷的诞生伊始，研究人员通过各种改性方法对其性能进行提高，其中离子掺杂是最直接和最有效的提高手段。
本文针对掺杂PZT及PZT基多元系陶瓷的研究现状及进展进行详细的概述，并对其研究及发展趋势进行大胆的预测。
2二元系PZT压电陶瓷掺杂改性研究PZT压电陶瓷是典型的多晶体，换句话说，当陶瓷未被极化时，陶瓷内部存在许多方向各异的电畴。
在极化过程中，外加电场作用下，晶体内各个电畴均要发生转向，但电畴的转向会使陶瓷内部产生内应力，所以从张静(1990),女,硕士研究生,从事功能材料与智能材料的。
贵州省科技计划项目(20192159018423206)。
热力学角度考虑，陶瓷内部电畴转向相当困难。
图1为钙钛矿型晶体的结构。
许多研究都是通过取代改性、加入多组元使晶格发生畸变，从而晶粒容易转向。
通常掺杂根据位置的不同可分为A 位、B 位掺杂[2]。
Pb 在加热的过程中在900℃会挥发。
众所周知，重金属铅及其化合物可由蒸气或粉尘进入呼吸道，对人体及其各个组织带来不良的影响。
高居里温度铁电单晶PIN-PT的机电性能
第51卷第4期2022年4月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALSVol.51㊀No.4April,2022高居里温度铁电单晶PIN-PT的机电性能刘曼曼1,汪跃群2,熊俊杰1,张文杰1,孔舒燕1,杨晓明1,王祖建1,龙西法1,何㊀超1(1.中国科学院福建物质结构研究所,福州㊀350002;2.中国船舶集团第七一五研究所,杭州㊀310023)摘要:弛豫铁电单晶Pb(In1/2Nb1/2)O3-PbTiO3(PIN-PT)相较于常用的Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)具有更高的居里温度,在高稳定性㊁高性能的传感器㊁换能器方面具有应用前景㊂本工作采用谐振法研究了[001]方向极化的0.66PIN-0.34PT铁电单晶的全矩阵机电性能参数㊂0.66PIN-0.34PT单晶的三方-四方相变温度(T RT)约为160ħ,居里温度(T C)约为260ħ,室温压电系数d33㊁d31㊁d15分别为1340pC/N㊁-780pC/N㊁321pC/N,介电常数εT33㊁εS33㊁εT11㊁εS11分别为2700㊁905㊁2210㊁1927,机电耦合系数k33㊁k31㊁k15㊁k t分别为87%㊁58%㊁38%㊁61%㊂其纵向压电常数(d33)和纵向机电耦合系数(k33)小于PMN-PT单晶,但是横向压电性能(d31)和剪切压电性能(d15)都略高于PMN-PT单晶㊂另外,研究了机电耦合性能随温度的变化趋势,发现0.66PIN-0.34PT单晶在150ħ以下有较好的温度稳定性㊂关键词:PIN-PT;弛豫铁电单晶;全矩阵参数;压电性能;机电性能;传感器㊀中图分类号:TM22+1;O782㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:1000-985X(2022)04-0579-08 Electromechanical Properties of Ferroelectric Single CrystalPIN-PT with High Curie TemperatureLIU Manman1,WANG Yuequn2,XIONG Junjie1,ZHANG Wenjie1,KONG Shuyan1,YANG Xiaoming1,WANG Zujian1,LONG Xifa1,HE Chao1(1.Fujian Institute of Research on the Structure of Matter,Chinese Academy of Science,Fuzhou350002,China;2.Hangzhou Applied Acoustics Research Institute,Hangzhou310023,China) Abstract:Relaxor ferroelectric single crystal Pb(In1/2Nb1/2)O3-PbTiO3(PIN-PT)has a higher Curie temperature than Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT),which has a prospect in the application of sensors and transducers requiring high stability and high performance.In this work,the full matrix mechanical and electrical properties of[001]-poled0.66PIN-0.34PT ferroelectric single crystal were studied by resonance method.The rhombohedral-tetragonal transformation temperature(T RT) and Curie temperature(T C)of0.66PIN-0.34PT single crystal are160ħand260ħ,respectively.The room temperature piezoelectric coefficients d33,d31and d15of0.66PIN-0.34PT ferroelectric single crystal are1340pC/N,-780pC/N and 321pC/N,respectively.The dielectric constantsεT33,εS33,εT11,εS11are2700,905,2210,1927,respectively.The electromechanical coupling coefficients k33,k31,k15,k t are87%,58%,38%,61%,respectively.The value of piezoelectric constant(d33)and electromechanical coupling coefficient(k33)of0.66PIN-0.34PT single crystal are smaller than those of PMN-PT single crystal,but the transverse piezoelectric properties(d31)and shear piezoelectric properties(d15)are slightly higher than those of PMN-PT single crystal.In addition,the trend of variation in electromechanical coupling performance was studied,and it is found that0.66PIN-0.34PT single crystal has good temperature stability below150ħ.Key words:PIN-PT;relaxor ferroelectric single crystal;full matrix parameter;piezoelectric property;electromechanical property;sensor㊀㊀收稿日期:2022-02-16㊀㊀基金项目:中国科学院重点部署项目(ZDRW-CN-2021-3);福建省工业引导项目(2020H0038)㊀㊀作者简介:刘曼曼(1996 ),女,河南省人,硕士研究生㊂E-mail:liumanman@㊀㊀通信作者:何㊀超,博士,研究员㊂E-mail:hechao@580㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第51卷0㊀引㊀㊀言相比较于传统的锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷,弛豫铁电单晶材料由于具有超高的压电系数和机电耦合系数(d33>1500pC/N,k33>90%),在医用超声成像㊁高性能换能器等领域得到了广泛的应用[1-3]㊂弛豫铁电单晶材料常用的体系为Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-x PbTiO3(PMN-PT)㊂虽然PMN-PT单晶在准同型相界(MPB)附近表现出优异的压电和机电性能(d33~2000pC/N,k33~90%),但其低的矫顽场(E c=2~3kV/cm)使其容易发生退极化,低的三方-四方相变温度(T RT=65~90ħ)使其应用得到很大限制[4]㊂据之前报道,Pb(In1/2Nb1/2)O3-PbTiO3(PIN-PT)铁电单晶具有较高的矫顽场和较高的相变温度㊂2002年Guo等[5]报道了用坩埚下降法生长PIN-PT单晶,其居里温度为200~218ħ,[001]方向的晶体的室温介电常数㊁压电常数㊁机电耦合系数分别约为4000㊁2000pC/N和92%㊂2003年Yasuda等[6]报道了采用偏光显微镜观察0.72PIN-0.28PT单晶在各向同性相边界附近的复杂畴结构㊂2012年He等[7]报道了利用顶部籽晶法生长的0.655PIN-0.345PT单晶的三方-四方相变温度达到150ħ,居里温度为290ħ㊂2018年Qiao等[8]报道了Mn掺杂对PIN-PT单晶性能的影响㊂2021年Xiong等[9]报道了0.66PIN-0.34PT交流极化的结果㊂虽然PIN-PT拥有比较均衡的性能,但对于其全矩阵机电性能的研究甚少㊂研究PIN-PT铁电单晶的压电性能㊁介电性能㊁弹性常数等全矩阵性能参数对于器件设计和应用推广具有重要的意义[10-12]㊂因此,本工作通过顶部籽晶法生长了0.66PIN-0.34PT单晶,并通过谐振法测试了0.66PIN-0.34PT单晶的全矩阵参数,研究了机电耦合性能的温度稳定性㊂1㊀实㊀㊀验1.1㊀测试原理(1)压电振子的谐振特性将极化处理过的压电晶体制成的压电振子按照图1(a)所示的线路连接,当信号频率从低频缓慢向高频变化时,通过压电振子的电流会随着频率的变化而变化,电流是流经压电振子的电压V和阻抗|Z|的比值㊂当信号频率为f m时,通过压电振子的传输电流达到最大值,其对应的阻抗|Z|即为最小值,把f m称为最小阻抗频率;当信号频率变到另一频率f n时,传输电流出现最小值,其所对应的阻抗|Z|达到最大值,把f n称为最大阻抗频率,阻抗随频率的变化如图1(b)所示[13]㊂图1㊀(a)压电振子接入线路示意图;(b)压电振子阻特性曲线Fig.1㊀(a)Schematic diagram of piezoelectric vibrator access circuit;(b)piezoelectric vibrator resistance characteristic curve (2)压电振子的等效电路图压电振子的等效电路是利用电学网络术语表示压电弹性体的机械振动特性,这样可以把所研究的问题简化㊂压电振子的等效电路表示有很多形式,其中最简单的是LC等效电路,其表现形式如图2所示,它是由L1㊁C1㊁R1串联支路和C0并联支路构成的㊂对于LC电路来说,其阻抗|Z|随着频率的变化而变化㊂在压电振子的串联谐振频率附近,只要选择适当的L1㊁C1㊁R1和C0,通过LC电路的阻抗的绝对值随频率的变化曲线和图1(b)的曲线非常相似㊂当压电振子的动态电阻R1为零时,这时电路导纳绝对值|Y|与频率f的关系如公式(1)所示㊂根据公式(1)可以求出导纳最大时的频率f m(公式(2))和导纳最小时的频率f n(公式(3))㊂根据交流电路理论,串联谐振频率f s(L1C1电路出现谐振)与并联谐振频率f p(整个等效电路出现谐振)时的频㊀第4期刘曼曼等:高居里温度铁电单晶PIN-PT 的机电性能581㊀率如公式(4)和(5)所示㊂此外压电振子还有两个特征频率,即谐振频率f r 与反谐振频率f a ,在这两个特征频率下,压电振子的并联导纳为零,压电振子呈现出纯阻抗特性㊂因此当R 1为零时,对于压电振子的六个特征频率有如下关系:f m =f s =f r ,f n =f p =f a ㊂根据谐振频率f r 与反谐振频率f a 可以计算得出其他性能参数㊂Y =2πf C 0(2πf L 1-12πf C 0-12πf C 1)2πf L 1-12πf C 1(1)f m =12π㊀L 1C 1(2)f n =12π㊀L 1C 0C 1C 0+C 1(3)f s =12π㊀L 1C 1(4)f p =12π㊀L 1C 0C 1C 0+C 1(5)图2㊀压电振子等效电路Fig.2㊀Piezoelectric oscillator equivalent circuit 1.2㊀样品制备在本工作中,采用顶部籽晶法得到PIN-PT 单晶,晶体原料配比为0.59PIN-0.41PT 单晶,晶体生长方法见参考文献[14]㊂根据PIN-PT 体系的二元相图推测PIN-PT 晶体的组分应该为0.66PIN-0.34PT [15]㊂通过X 射线衍射仪(MiniFlex 600,Rigaku,Japan)测定晶体结构㊂将晶体进行切割,抛光得到[001]取向尺寸大小为4mm ˑ4mm ˑ0.6mm 的晶片㊂涂上高温银浆,在600ħ下进行退火处理以消除样品加工过程中产生的应力㊂样品退火后,方可对样品进行对应的电学测试㊂使用阻抗分析仪(E4990A,Keysight,USA)测试单晶样品的介电性能㊂压电单晶的全矩阵机电性能参数是指压电材料的介电常数㊁压电常数㊁弹性常数等一系列物理参数各自组成的矩阵㊂其中主要包括恒电位移边界条件下的弹性柔顺系数矩阵s D ij ㊁恒电场边界条件下的弹性柔顺系数矩阵s E ij ㊁恒电位移边界条件下的弹性刚度系数矩阵c D ij ㊁恒电场边界条件下的弹性刚度系数矩阵c E ij ㊁压变应变常数d ij ㊁压变应力常数e ij ㊁压变电压常数g ij ㊁压变刚度常数h ij ㊁介电常数εij /ε0和βij /β0,以及机电耦合系数k ij ㊂压电晶体沿不同方向极化会导致晶体的对称性不同,其全矩阵参数的表现形式也不同㊂本工作主要测试沿[001]方向极化后0.66PIN-0.34PT 铁电单晶的全矩阵参数㊂0.66PIN-0.34PT 铁电单晶具有三方钙钛矿相(3m ),沿[001]方向极化后的晶体具有4mm 点群对称性,共有11个独立的材料常数,包括6个弹性常数,2个介电常数和3个压电常数㊂图3给出了三方钙钛矿相(3m )铁电单晶沿[001]方向极化的弹性刚度系数㊁压电应变常数和介电常数矩阵㊂本实验中主要采用的是谐振法测试[001]极化的0.66PIN-0.34PT 单晶的全矩阵参数,通过制备不同的压电振子得到谐振图谱㊂压电振子尺寸如下:k 33振子为1mm(长)ˑ1mm(宽)ˑ5mm(高);k 31振子为5mm(长)ˑ1.5mm(宽)ˑ0.5mm(高),k t 样品尺寸为5mm(长)ˑ5mm(宽)ˑ0.6mm(高),k 15样品尺寸为0.6mm(长)ˑ3mm(宽)ˑ5mm(高),其中长度方向为[100],宽度为[010],高度为[001]㊂压电振582㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第51卷子的示意图如图4所示,其中阴影部分表示测试电极面㊂电极为银电极,600ħ下烧结10min 而成㊂压电振子的极化条件如下:电场为12kV /cm,极化时间15min,室温㊂k 33㊁k 31和k t 的振子样品测试方向与极化方向均为[001]㊂k 15振子沿着[001]方向极化后,去掉电极,重新沿着[100]方向制备电极测试㊂使用阻抗分析仪(E4990A,Keysight,USA)测试压电振子的谐振阻抗谱图㊂图3㊀三方钙钛矿相(3m )单晶沿[001]方向极化的弹性刚度系数(a)㊁压电应变常数(b)和介电常数(c)矩阵Fig.3㊀Elastic stiffness coefficient (a),piezoelectric strain coefficient (b)and dielectric constant (c)matrix of [001]poled rhombohedral perovskite phase (3m )ferroelectric single crystal图4㊀压电振子取向示意图Fig.4㊀Diagram of piezoelectric vibrators 1.3㊀全矩阵机电性能参数计算压电振子制作完成后,通过阻抗分析仪读出不同振子所对应的反谐振频率f a 和谐振频率f r ㊂通过不同的公式算出相应的参数值,其中Δf 表示f a 和f r 的差值,l 为样品长度,通过阿基米德法得到晶体的密度为8.1kg /cm 3㊂对于k 33振子通过公式(6)~(9)计算出相应的参数值:k 233=π2f r f a tan π2Δf f a ()(6)s D 33=14ρl 2f 2a (7)s E 33=s D 331-k 233(8)d 33=k 33㊀εT 33s E 33(9)对于k 31振子,通过公式(10)~(12)计算出相应的参数值:k 2311-k 231=π2f a f r tan π2Δf f r ()(10)s E 11=14ρl 2f 2r (11)d 31=k 31㊀εT 33s E 11(12)㊀第4期刘曼曼等:高居里温度铁电单晶PIN-PT的机电性能583㊀对于k t振子,通过公式(13)~(15)计算出相应的值:k2t=π2f r fa tanπ2Δf fa()(13)c D33=4ρt2f2a(14)c E33=c D33(1-k2t)(15)对于k15振子,通过公式(16)~(19)计算出相应的值:k215=π2f r fa tanπ2Δf fa()(16)c D55=4ρl2f2a(17)c E55=c D55(1-k215)(18)d15=k15㊀εT11s E55(19) 2㊀结果与讨论通过阻抗分析仪测得的各个振子的阻抗图谱如图5所示,结合以上公式可以算出部分全矩阵参数,参数其他值的计算参考文献[16]的计算方法㊂最终得到0.66PIN-0.34PT的全矩阵参数如表1所示㊂相比较于三方相PMN-PT单晶,通过对比可以看出,虽然0.66PIN-0.34PT单晶的纵向压电系数d33(1347pC/N)和机电耦合系数k33(87%)略小于PMN-PT单晶(d33~1660pC/N,k33~92%),但是0.66PIN-0.34PT单晶具有较高的剪切压电性能,其d15能够达到321pC/N,并且其横向机电耦合系数k31达到58%,高于三方相PMN-PT单晶的横向机电耦合系数(k31~47%)[16-17]㊂图5㊀不同振子的共振谱Fig.5㊀Resonance spectra of different vibrators584㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第51卷表1㊀[001]极化的0.66PIN-0.34PT单晶的全矩阵参数Table1㊀Full matrix properties of[001]poled0.66PIN-0.34PT crystalsElastic stiffness constants:C ij/(1010N㊃m-2)C E11C E12C E13C E33C E44C E66C D11C D12C D13C D33C D44C D6611.3112.1910.249.64 5.247.6411.229.1810.7411.468.17 6.68Elastic compliance constants:S ij/(10-12m2㊃N-1)S E11S E12S E13S E33S E44S E66S D11S D12S D13S D33S D44S D66 26.39-11.67-23.2148.9515.7210.0715.54-18.76-8.859.0213.6812.62Piezoelectric constants:e ij/(C㊃m-2);d ij/(10-12C㊃N-1);g ij/(10-3Vm㊃N-1);h ij/(108V㊃m-1) e15e31e33d15d31d33g15g31g33h15h31h33 14.6-6.5318.81321-783134712.40-17.2330.3110.29-11.9029.15Dielectric constants:ε(/ε0);β(10-4/ε0).Electromechanical coupling constants:kεS11εS33εT11εT33βS11βS33βT11βT33k15k31k33k t 192790522102700 3.23 2.29 2.35 2.590.380.580.870.610.66PIN-0.34PT单晶的X射线衍射扫描结果如图6(a)所示,从衍射图可以看出,单晶是纯的三方相钙钛矿结构㊂同时在1000Hz下测试的介电温谱如图6(b)所示㊂从图中可以看出,其三方-四方相变温度T RT为150ħ,居里温度T C为260ħ㊂为了测试0.66PIN-0.34PT单晶的温度稳定性,将极化后的单晶在不同温度下退火2h,降至室温后用准静态法测试其压电系数d33,结果如图7所示㊂当退火温度在150ħ以下, 0.66PIN-0.34PT单晶的d33一直保持在1200pC/N;当退火温度高于150ħ时,0.66PIN-0.34PT单晶的d33明显下降,表明退极化温度和三方-四方相变温度一致㊂图6㊀(a)0.66PIN-0.34PT单晶的X射线粉末衍射图谱;(b)未极化[001]取向0.66PIN-0.34PT单晶的介电温谱(1000Hz) Fig.6㊀(a)Powder XRD patterns of0.66PIN-0.34PT crystals;(b)dielectric temperature spectrum of0.66PIN-0.34PTsingle crystal with unpolarized[001]orientation(1000Hz)图7㊀[001]取向0.66PIN-0.34PT单晶的压电系数d33随退火温度的变化Fig.7㊀Variation of d33of[001]poled0.66PIN-0.34PT crystals as a function of temperature㊀第4期刘曼曼等:高居里温度铁电单晶PIN-PT的机电性能585㊀图8给出了机电耦合系数k15㊁k31㊁k t㊁k33随温度的变化㊂随着温度的升高,剪切机电耦合系数k15迅速从室温的38%增加到150ħ时58%㊂纵向机电耦合系数k33和横向机电耦合系数k31在三方-四方相变温度以前基本保持不变,在相变温度附近急剧减小㊂厚度伸缩机电耦合系数k t随着温度的升高在三方-四方相变温度之前从60%升高到70%㊂因此,0.66PIN-0.34PT单晶机电耦合性能的温度稳定性可达150ħ㊂图8㊀0.66PIN-0.34PT单晶的机电耦合系数k15㊁k31㊁k t㊁k33随温度的变化Fig.8㊀Variation of electromechanical coupling coefficients k15,k31,k t,k33of0.66PIN-0.34PT single crystal as a function of temperature3㊀结㊀㊀论采用顶部籽晶法生长的0.66PIN-0.34PT单晶的三方四方相变温度为150ħ,居里温度为260ħ㊂通过谐振法测试了沿[001]极化的0.66PIN-0.34PT单晶的介电常数㊁压电常数㊁弹性常数等性能参数㊂与三方相PMN-PT单晶相比,0.66PIN-0.34PT单晶的剪切压电系数d15(321pC/N)和横向机电耦合系数k31(58%)有所提高㊂压电和机电耦合性能的温度稳定性研究表明,0.66PIN-0.34PT单晶的压电和机电耦合性能在150ħ以下保持稳定,有利于拓展弛豫铁电单晶温度应用范围㊂参考文献[1]㊀ZHANG S J,LI F,JIANG X N,et al.Advantages and challenges of relaxor-PbTiO3ferroelectric crystals for electroacoustic transducers-a review[J].Progress in Materials Science,2015,68:1-66.[2]㊀SUN E W,CAO W W.Relaxor-based ferroelectric single crystals:growth,domain engineering,characterization and applications[J].Progress inMaterials Science,2014,65:124-210.[3]㊀LI F,LIN D,CHEN Z,et al.Ultrahigh piezoelectricity in ferroelectric ceramics by design[J].Nature Materials,2018,17(4):349-354.[4]㊀戴振国,董胜明,尹振华,等.PMN-PT晶体的生长㊁性质和应用进展[J].人工晶体学报,2005,34(6):1018-1023+1055.DAI Z G,DONG S M,YIN Z H,et al.Progress in the growth,properties and application of PMN-PT crystal[J].Journal of Synthetic Crystals, 2005,34(6):1018-1023+1055(in Chinese).[5]㊀GUO Y P,LUO H S,HE T H,et al.Peculiar properties of a high Curie temperature Pb(In1/2Nb1/2)O3-PbTiO3single crystal grown by themodified Bridgman technique[J].Solid State Communications,2002,123(9):417-420.586㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第51卷[6]㊀YASUDA N,UEMURA N,OHWA H,et al.Domain observation in PIN-PT mixed crystal near a morphotropic phase boundary[J].Journal-Korean Physical Society,2003,42:S1261-S1265.[7]㊀HE C,LI X Z,WANG Z J,et al.Characterization of Pb(In1/2Nb1/2)O3-PbTiO3ferroelectric crystals grown by top-seeded solution growthmethod[J].Journal of Alloys and Compounds,2012,539:17-20.[8]㊀QIAO H M,HE C,WANG Z J,et al.Improved thermal stability of ferro/piezo-electric properties of Mn-doped Pb(In1/2Nb1/2)O3-PbTiO3ceramics[J].Journal of the European Ceramic Society,2018,38(9):3162-3169.[9]㊀XIONG J J,WANG Z J,YANG X M,et al.Optimizing the piezoelectric and dielectric properties of Pb(In1/2Nb1/2)O3-PbTiO3ferroelectriccrystals via alternating current poling waveform[J].IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control,2021,68(8): 2775-2780.[10]㊀MA M,XIA S,SONG K X,et al.Temperature dependence of the transverse piezoelectric properties in the[001]-poled0.25Pb(In1/2Nb1/2)O3-0.42Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.33PbTiO3single crystal with alternating current treatment[J].Journal of Applied Physics,2021,129(11):114102.㊀[11]㊀QIAO L,LI Q,QIU C R,et al.Temperature dependence of elastic,piezoelectric,and dielectric matrixes of[001]-poled rhombohedral PIN-PMN-PT single crystals[J].IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency 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浅谈弛豫铁电体的研究状况及进展
02
03
通过实验和理论预测，发现新型的弛豫铁电体材料，探索新的物理机制和性能。
新材料发现
发展新型弛豫铁电体材料及器件
基于新的弛豫铁电体材料，设计和开发新型的弛豫铁电体器件，以满足新的应用需求。
器件创新
将弛豫铁电体材料与其它功能材料或器件进行集成，实现多功能、高效率的器件。
材料与器件的集成
广泛应用
弛豫铁电体的应用拓展
04
弛豫铁电体研究的前景展望
提高弛豫铁电体的性能及稳定性
发现新的材料体系
通过研究新的弛豫铁电体材料，寻找具有更高性能和稳定性的材料，以满足各种应用需求。
材料优化
对现有弛豫铁电体材料进行优化，包括成分、结构和性能的优化，以提高其性能和稳定性。
薄膜生长控制
通过精确控制薄膜的生长过程，提高弛豫铁电体薄膜的质量和稳定性，进而提高器件的性能和稳定性。
弛豫铁电体的应用领域
弛豫铁电体在光学调制器、声表面波器件、压电换能器等领域已经得到了广泛应用，同时，其在数据存储、纳米机器人、生物医学工程等领域的应用也在不断探索和发展中。
弛豫铁电体材料的改性研究
弛豫铁电体的制备技术研究
弛豫铁电体的应用研究
分析弛豫铁电体的研究进展
未来，需要进一步加强弛豫铁电体基础理论的研究，包括其晶体结构、电子结构、能量状态等方面的深入研究，为弛豫铁电体的应用提供理论支持。
加强基础研究
发展新型制备技术
拓展应用领域
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谢谢您的观看
03
弛豫铁电体的研究进展
新型弛豫铁电体的研发
弛豫铁电体的性能优化
要点三
优化弛豫铁电体的物理性能
通过材料设计和制备工艺的改进，可以优化弛豫铁电体的物理性能，提高其居里温度、介电常数和机电耦合系数等关键指标。
浅谈弛豫铁电体
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目录
• 弛豫铁电体概述 • 弛豫铁电体的基本原理 • 弛豫铁电体的制备方法 • 弛豫铁电体的性能优化 • 弛豫铁电体的应用研究 • 研究展望与挑战
01
弛豫铁电体概述
弛豫铁电体的定义
弛豫铁电体是一种具有高度非线 性和复杂极化行为的特殊铁电材
料。
它属于铁电体材料中的一大类， 具有电滞回线和矫顽场等特性。
在能量存储中的应用
要点一
超级电容器
弛豫铁电体可以用于超级电容器的电极材料，由于其 高比表面积和良好的电性能，可以提高超级电容器的 能量密度和充放电效率。
要点二
电池电极材料
弛豫铁电体可以作为电池的电极材料，利用其电化学 活性高的特点，可以提高电池的能量密度和充放电效 率。
在传感技术中的应用
光学传感器
总结词
化学气相沉积法是一种制备弛豫铁电体的新方法，具有制备速度快、可获得大面积的高质量的弛豫铁 电体等优点。
详细描述
化学气相沉积法是一种基于化学反应的方法，通过将原材料在高温下进行分解和化合反应，形成具有 弛豫铁电性质的薄膜或厚膜材料。该方法的优点是制备速度快、可获得大面积的高质量的弛豫铁电体 ，但需要使用高纯度的气体和精确的控制设备。
铁电体是指具有铁电效应的晶体或陶瓷材料，其中铁电效应 是指材料在外部电场作用下产生自发极化现象。
自发极化是指在没有外部电场作用下，材料内部出现自发性 的电偶极矩。
弛豫铁电体的物理机制
弛豫铁电体是指具有长程极化序的铁电体，其自发极化随 时间逐渐衰减。
弛豫铁电体的物理机制主要包括自旋玻璃态、冻结涨落、 多重有序-无序转变等。
弛豫铁电体的应用场景
由于弛豫铁电体具有独特的物 理性质和较高的稳定性，因此 被广泛应用于各种电子器件和 功能材料中。
浅谈弛豫铁电体的研究状况及进展
浅谈弛豫铁电体的研究状况及进展摘要:铁电材料具有良好的铁电性、压电性、热释电以及非线性光学等特性，特别是驰豫铁电体是近20年发展起来的国际高新技术材料。
本文主要介绍了驰豫铁电体的介电特征和理论模型,总结概括了BaTiO3基复合钙钛矿型驰豫铁电体的研究和铁电体的研究新进展。
关键词：铁电材料驰豫铁电体中图分类号:一、弛豫铁电体的介电特征铁电体是一类特殊的电介质，其介电常数的特点是数值大、非线性效应强、有着显著的温度依赖性和频率依赖性。
但是由于其结构的原因，很多铁电体的居里温度偏高，使其介电常数在较高温度时才有最大值，而在室温下介电常数远小于居里点的介电常数,从而大大限制了其使用性能。
因此必须改变铁电体的结构使其居里温度降低、介电常数增大、适用的温度范围变宽，由此提出了弛豫铁电体(RFE)的概念。
1955年G. I. Skanavi首先在钛酸锶铋（SBT）铁电体中发现一个明显的弥散区域，而后G。
A. Smolenkii等又发现了一大类以铌镁酸铅(Pb（Mg1/3Nb2/3）O3，PMN）为代表的复合钙钛矿型化合物，它们既有明显的铁电性,又呈现出强烈的弛豫特性.这类材料便被称为扩散相变型铁电体(DPT）或弛豫型铁电体(RFE)。
严格来说，把具有以下介电特征的铁电体称为弛豫铁电体［1，2］：一是相变弥散,即铁电到顺电相变是一个渐变的过程，没有一个确定的居里温度Tc，表现为介电常数与温度的关系曲线中介电峰的宽化,通常将其介电常数最大值所对应的温度T m作为一个特征温度；二是频率色散现象,即在T m温度以下,随频率增加，介电常数下降，损耗增加，介电峰和损耗峰向高温方向移动;三是在转变温度T m 以上仍然存在较大的自发极化强度.弛豫铁电体的介电常数和温度的关系不再符合Curie—Weiss定律。
弛豫铁电体主要有复合钙钛矿型驰豫铁电体，钨青铜型驰豫铁电体和聚合物驰豫铁电体，其中复合钙钛矿型驰豫铁电体是近年来研究得最多的一类.弛豫铁电体具有极高的介电常数、相对低的烧结温度以及由“弥散相变”引起的较低容温变化率，大的电致伸缩系数和几乎无滞后的特点，使其在多层陶瓷电容器（MLCC）和新型电致伸缩器件方面有着巨大的应用前景；透明弛豫铁电体具有优异的电光和开关特性,可用于电光存储、开关和记忆元件。
PZN—PMN—PT铁电晶体的生长及表征
来调整 Ｐ Ｚ Ｎ— Ｐ Ｔ 的结构 ， 以得到纯钙钛矿相 以及 高居里温度的 Ｐ Ｚ Ｎ － Ｐ ＭＮ — Ｐ Ｔ晶体 ， 进而研究 Ｐ Ｚ Ｎ
入４ ０ ｍｍＸ４ ０ ｍｍ 的 Ｐ ｔ 坩 埚 中压 实 ， 加盖密封，
再放人刚玉坩埚中， 周围加 刚玉粉支撑 ， 然后置于
＊ 收稿 日期 ： ２ ０ １ ２ — １ ２ — ２ ６ 基金资助 ： ９ ７ ３ 计划项 目（ ２ ０ １ ３ Ｃ Ｂ ６ ３ ２ ９ ０ ４ ） ； 国家 自然科学基金（ ５ １ ０ ７ ２ １ ５ ５ ） ； 陕西省 自然科学基础研究计划重点项 目（ ２ ０ １ ｏ Ｊ Ｚ Ｏ ０ ６ ）
摘 要 ： 本 文采 用 高温溶 液法制 备 了 Ｐ Ｚ Ｎ— Ｐ ＭＮ－ Ｐ Ｔ晶体 ， 利 用 Ｘ射 线衍 射仪 （ Ｘ ＲＤ） 和扫描
电子 显微镜 （ Ｓ Ｅ Ｍ） 分析 了晶体 的结 构和微 观形 貌 ， 通过 偏 光显 微镜 和介 电温谱 观 测 了晶体 电 畴和 介 电性 能 随温度 的 变化． 研 究 结果 表 明， 采 用 高温溶 液 法可 以 制备 出纯 钙钛 矿 相 结 构 的
—
Ｐ ＭＮ— Ｐ Ｔ 晶体 的结构 与性 能．
１ 实 验
以分析 纯 的 Ｎｂ ２ ０ ５ 、 Ｚ ｎ Ｏ、 Ｐ ｂ ０、 Ｔｉ Ｏ ｚ和 Ｍｇ Ｏ
为原料 ， 采用 二 步 合 成 法 首 先 合 成 ＭＮ 和 Ｚ Ｎ， 再 将 ＭＮ、 Ｚ Ｎ、 Ｔｉ ０ 和 Ｐ ｂ Ｏ 混合 ， 其中Ｐ ｂ Ｏ 过 量 ６ ５ ， 用 高温 溶 液 法 制 备 Ｐ Ｚ Ｎ— Ｐ ＭＮ— Ｐ Ｔ 晶体 ， 根
铁电陶瓷
铁电陶瓷材料的研究现状尤欣欣（渭南师范学院化学与生命科学学院，08级材料化学1班）摘要：本文论述了几种具有代表性的铁电陶瓷材料的研究现状，以及人们在研究过程中产生的新问题。
这几种材料主要包括层状铁电陶瓷，弛豫型铁电陶瓷，含铅型铁电陶瓷，无铅型铁电陶瓷，以及反铁电陶瓷材料。
最后，对未来的研究与应用前景进行了展望。
关键词：铁电陶瓷；铁电性；钙钛矿；研究0前言铁电陶瓷(ferroelectric ceramics)材料，是指具有铁电效应的一类材料，它是热释电材料的一个分支。
铁电陶瓷的主要特性为：(1)在一定温度范围内存在自发极化，当高于某一居里温度时，自发极化消失，铁电相变为顺电相；(2)存在电畴；(3)发生极化状态改变时，其介电常数-温度特性发生显著变化，出现峰值，并服从Curie-Weiss定律；(4)极化强度随外加电场强度而变化，形成电滞回线；(5)介电常数随外加电场呈非线性变化；(6)在电场作用下产生电致伸缩或电致应变。
其电性能：高的抗电压强度和介电常数。
在一定温度范围内(-55～+85℃)介电常数变化率较小。
介电常数或介质的电容量随交流电场或直流电场的变化率小。
铁电陶瓷的特性决定了它的用途。
利用其高介电常数，可以制作大容量的电容器、高频用微型电容器、高压电容器、叠层电容器和半导体陶瓷电容器等，电容量可高达0.45μF/cm2。
利用其介电常数随外电场呈非线性变化的特性，可以制作介质放大器和相移器等。
利用其热释电性，可以制作红外探测器等。
利用其压电性可制作各种压电器件。
此外，还有一种透明铁电陶瓷，具有电光效应，可用于制造光阀、光调制器、激光防护镜和热电探测器等。
目前，全球铁电元件的年产值己达数百亿美元。
铁电材料是一个比较庞大的家族，当前应用的最好的是陶瓷系列，其已广泛应用于军事和工业领域。
但是由于铅的有毒性及此类铁电陶瓷材料居里温度低、耐疲劳性能差等原因，应用范围受到了限制。
因此开发新一代铁电陶瓷材料己成为凝聚态物理、固体电子学领域最热门的研究课题之一。
掺钙钨铁酸铅材料的合成及其介电性能
２１０ ） ０８ ０ （ 上海 大学材料 学院无机 材料 系．上海
摘要 ： 究 了在鹄铁 酸铅 ｛ Ｆ ）中添加 Ｃ ２的合成过程及相应 的介 电性 能。台成方法采用 Ｂ住先驱体合成法。 研 ＰＷ ａ十
结果表 明最后 的产物 中存在杂相 ， 并艰难消徐。材料的介 电性 能受杂相 的影响很 大．随着杂相含 量的增加 ，
ｔ ｇ ６降
Ｓ ｎ ｈ ｓｓｏ － ｏ ｅ ＦＷ ｎ ｔ ｅｅ ｔ ｏ ｒｉｓ ｙ ｔ ｅ ｉ ｆＣａ ｄ ｐ ｄ Ｐ ａ ｄＩｓＤｉｌｃ ｄｃＰｒ ｐｅ ｔｅ
ＷＵ ｉｎ Ｂ Ａ Ｊａ － ａ ｇ ＷＡ ｎ Ｊａ ， Ｉ Ｎ ｉ ｊ ｎ ， ＮＧ Ｈｏ ｇ ｎ ｉ
（ ｏｇｎｃＭａ ｒ ｌ ｅ ａ ｍ ｎ， ｔ ｉ ｏｌｇ， ｈｈ ｈｉ ｉｅｓｙ Ｓ ａ 曲ａ ０ ８ ｏ Ｉ ｒａｉ ｎ ｔ ｉ ｐｒ ｅ ｔＭａ ｒ Ｃ ｌ ｅ Ｓａ ｇ ａ Ｕｎｖｒ ｔ ｈｎ ｉ ｅ ａＤ ｔ ｅａ ｌ ｅ ｉ， ２ １０ 】
ｅｉ ｎ ｔ Ｔ ｅｖ ｕ ｆ ｔ ｇ ｎ ｅｒｆｅ ｕ ｎ ｙｄ ｐ ｎ ｅ ｃ ｃｅ ｅａ ｅｉ ｕ ｔ ｈ ｓｓｃ ｎ ｎ ｎ ｒａｅ ． ｈ ｎｘ ｌ ｍｉａｅ ｈ ａ ｅｏ ｔ ６ ａ ｄ ｔ ｉ ｒｑ ｅ ｃ ｅ ｅ ｄ ｎ ｄ ｒａ ｓｔ ｍｐ ｒ ｙ ｐ ａ ｅ ｏ ｔ ｔｉｚ ｓｓ Ｗ ｅ ｌ ｈ ｅ ｅ ｓ ｈ ｉ ｅ ｅ
片微 波介质 陶瓷 的介 电Leabharlann 数 ；另方面 ，可研 制 多层结
并使介电常数与温度的关系尽可能平坦， 掺杂是必需
的 ， 一般 是 以半径较 小 的离 子来部 分取 代 Ａ 位离 子 且
或者以半径较大的离子来部分取代 Ｂ位离子， 以减小 部分氧八面体的间隙，从而增加 Ｂ 位离子的极化难
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固相反应法
它具有高的介电常数、 大的电致伸缩效应、 无剩余极化、 理论上无滞后、 无老化、 响应快、 回零性好、 驱动功率小、 热稳定性好、 低膨胀等特点
弛豫铁电体的理论模型
成分起伏模型 有序无序模型 微畴-宏畴转变与超顺电态模型 玻璃化模型
有序-无序模型
这里针对复合钙钛矿型（A(B’B’’)O3)弛豫铁电体， 即钙钛矿型B位的有序无序性对性能的
Fig.3 Structure of ordered perovskite A(B1/2’B1/2’’)O3
Cross等总结的5条有关有序的经验判据:
在了大量实验数据的基础上得出了 ① A(B1/2’B1/2’’)O3型钙钛矿结构对有序的形成有 利; ② B′ B″= 1 1的有序结构易形成; ③ B′、B″离子的电荷相差越大, 越易形成有序; ④ B′、B″离子的半径差越大, 越易形成有序; ⑤A位离子半径越小, 对B位离子形成有序排列越有 利。
有序无序结构与介电弛豫的关系
Cross通过改变退火条件研究 了Pb(Sc1/2Ta1/2 )O3 (简称PS T) 材料的B晶位上的有序程度与 DPT的关系,实验表明, 弥散相 变与B位离子有序— 无序排 列密切相关, 无序态对应明显 的弥散相变( DPT) 现象, 而退 火处理后B晶位上Sc和Ta按1 1 排列的有序程度大大增强了, 随之而来的是DPT现象减弱直 至完全消失了。 Fig.PST的B位上的有序程度与DPT的关系
纯1:1
也存在有序微区，即B’:B’’=1：1，这就是说B’和 B’’离子形成的有序超结构和基体的化学配比完 全不同，基体材料中B’B’’之比为1:2，这就导致 了电荷不平衡区的存在。而随着有序微区的增 长，空间电荷产生的库仑力会阻碍有序微区的 继续长大。
合成
1.固相反应法 2.溶胶凝胶法 3.共沉淀法 4.水热合成法
Perovskite-structured relaxor ferroelectric ceramics
Relaxor ferroelectric ceramics compared with ordinary ferroelectrics
弥散相变Diffuse Phase Tr电常数与温度 关系曲线中介电 峰的宽化，高于 居里温度附近仍 存在自发极化和 电滞回线。
Fig.1
频率色散
在低温测介电峰 和损耗峰随测试 频率的提高而略 向高温方向移动， 而介电峰值和损 耗峰值分别略有 降低和增加。
Fig.2
优点
•
•
• •
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• • • • •
A(B1/3’B2/3’’)O3型复合钙钛矿结构的有序-无序转变
混合1:1
纯1:1
混合1:1
( B’2/3 B’’1/3 ) 1/2 B’’1/2=1:1, 沿〈111〉方向( B’2/3 B’’1/3 ) 1/2和B’’1/2呈相间层状排列; 同时在( B’2/3 B’’1/3 ) 1/2所占据的层上, B’和B’’离子呈无序随机 分布.对这种混合1:1有序结构的A ( B’1/3 B’’2/3 )O3 型化合物可更加明了地写成A [ ( B’2/3 B’’1/3 ) 1/2 B’’1/2 ] O3。
铁电体的
铁电体
钨青铜矿 PbNb2O6型
钙钛矿 ABO3型
焦绿石矿 Cd2Nb2O7型
层片状 Bi4Ti3O12型
铁电弛豫体
钙钛矿型弛豫铁电陶瓷
结构（Bsite有序无序与性能的关系） 制备 应用
结构
A(B1/2’B1/2’’)O3型复合钙钛矿结构的有序-无序转变
Setter和Cross最早指出在 A(B1/2’B1/2’’)O3型钙钛矿结构 材料Pb(Sc1/2Ta1/2 )O3中，B位 离子形成的是B’ B’’= 1:1的有 序结构，即沿〈111〉方向B’ 和B’’离子相间呈1:1层状排列。