铁电功能材料PPT课件
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铁电体的第一性原理研究进展PPT课件
总之，VASP是一个成熟、稳定和高效的第一性原理计算软件包。
国内外研究现状
Cohen首次采用第一性原理计算BaTIO3和PbTIO3的电子密度,表明Ti的3d电子 和O的2P电子波函数有显著的交叠,而且铁电情况下的交叠比顺电情况更强, 进而得出结论:对于ABO3结构的钙钦矿型铁电体,B离子的d电子与氧离子的 2p电子之间存在比较强的轨道杂化,这种轨道杂化抑制了短程排斥力从而使 铁电性得以稳定。
4.集成铁电体的研究(铁电薄膜与半导体集成)：
由于铁电存储器的诸多优点,近几年来人们对铁电薄膜与半导体集成投入了大量的研究。 铁电薄膜的极化具备两个不同的稳定状态(剩余极化强度士Pr),可分别作为信息存储的“0‘’ 和,‘l”代码。早在50年代人们就开始作了这方面的研究。当时存在的问题主要为:块材要求 电压很高,不能满足应用的要求;电滞回线的矩形度差,易发生读写错误;疲劳特性很差。80年 代以来,由于铁电薄膜制备技术的改进,新的铁电材料及电极材料的出现,铁电存储器又重新 活跃起来。
2．Gaussian98程序包。Gaussian98程序包中包含许多种计算方法，包括半经验及第一性 原理计算方法等。它是一个功能全面的计算程序包。它的主要处理对象是有机大分子体系， 计算时主要对单一大分子体系的各种性质进行计算。能给出有机分子的振动模式及反应过 程的信息。它的缺点是对含有重金属原子体系的计算几乎无法进行。
研究热点
尺寸效应和表面界面效应
金属或半导体电极间的铁电薄膜 铁电聚合物和复合材料的研究
写在最后
成功的基础在于好的学习习惯
The foundation of success lies in good habits
17
谢谢聆听
·学习就是为了达到一定目的而努力去干, 是为一个目标去 战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折
国内外研究现状
Cohen首次采用第一性原理计算BaTIO3和PbTIO3的电子密度,表明Ti的3d电子 和O的2P电子波函数有显著的交叠,而且铁电情况下的交叠比顺电情况更强, 进而得出结论:对于ABO3结构的钙钦矿型铁电体,B离子的d电子与氧离子的 2p电子之间存在比较强的轨道杂化,这种轨道杂化抑制了短程排斥力从而使 铁电性得以稳定。
4.集成铁电体的研究(铁电薄膜与半导体集成)：
由于铁电存储器的诸多优点,近几年来人们对铁电薄膜与半导体集成投入了大量的研究。 铁电薄膜的极化具备两个不同的稳定状态(剩余极化强度士Pr),可分别作为信息存储的“0‘’ 和,‘l”代码。早在50年代人们就开始作了这方面的研究。当时存在的问题主要为:块材要求 电压很高,不能满足应用的要求;电滞回线的矩形度差,易发生读写错误;疲劳特性很差。80年 代以来,由于铁电薄膜制备技术的改进,新的铁电材料及电极材料的出现,铁电存储器又重新 活跃起来。
2．Gaussian98程序包。Gaussian98程序包中包含许多种计算方法，包括半经验及第一性 原理计算方法等。它是一个功能全面的计算程序包。它的主要处理对象是有机大分子体系， 计算时主要对单一大分子体系的各种性质进行计算。能给出有机分子的振动模式及反应过 程的信息。它的缺点是对含有重金属原子体系的计算几乎无法进行。
研究热点
尺寸效应和表面界面效应
金属或半导体电极间的铁电薄膜 铁电聚合物和复合材料的研究
写在最后
成功的基础在于好的学习习惯
The foundation of success lies in good habits
17
谢谢聆听
·学习就是为了达到一定目的而努力去干, 是为一个目标去 战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折
铁电材料及其应用36页PPT
13、遵守纪律的风气的培养，只有领 导者本 身在这 方面以 身作则 才能收 到成效 。—— 马卡连 柯 14、劳动者的组织性、纪律性、坚毅 精神以 及同全 世界劳 动者的 团结一 致，是 取得最 后胜利 的保证 。—— 列宁 摘自名言网
15、机会是不守纪律的。——雨果
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
铁电材料及其应用
11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 域—— 生产、 日常生 活、学 校、文 化等领 域中努 力的结 果。— —马卡 连柯(
15、机会是不守纪律的。——雨果
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
铁电材料及其应用
11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 域—— 生产、 日常生 活、学 校、文 化等领 域中努 力的结 果。— —马卡 连柯(
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。
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。
材料物理与性能学课件：铁电物理与性能-
圖6.4示出了所討論的壓電振子．它的長度為l，寬度為w，厚 度為t，並滿足l>>w>>t，上下主表面被有電極以施加並取出 電信號。當電信號頻率適當時，振子沿長度方向振動。
6.3.1.3 壓電材料的種類
1）晶體
自從第一個鐵電體羅息鹽發現以後，鐵電體就作為重要的壓電 材料得到應用．雖然非鐵電性的壓電晶體石英以其高穩定、 低損耗特性在頻率選擇和控制方面佔優勢，但從總體來看， 實用的壓電材料大部分是鐵電體，尤以壓電陶瓷用量最大， 具有鐵電性的晶體很多，其分類如下：
KDP在室溫下的結構如圖6.2所示，其結構可以看成由2套磷酸 根四面體組成的體心四方點陣和2套鉀離子陣心四方點陣套構 在一起形成的。
6.2.2 位移型相變鐵電體
許多氧化物鐵電體都是位移型鐵電體。鈦酸鋇就屬於這類鐵電 體，並且研究的也比較透徹。下麵就對鈦酸鋇鐵電體發生鐵 電相變時晶體結構變化的特點加以闡述。
圖6.5為熱釋電傳感器的構造，光線從（l）窗進入，經過（2） 濾光片到達（3）熱釋電元件，從而產生電信號，電信號經過 （4）引線輸出。
工作原理：熱釋電紅外感測器的窗口接收光線，濾波片對自然 界中的白光信號具有抑制作用，因此，只有特定波長的紅外 信號才能透過濾波片照射在熱釋電元件上。熱釋電元件被光 照後，由於熱釋電元件的上下表面受到的光照不同，產生電 子，並且形成電流，使兩塊黑色塗膜產生不同的熱釋電。電 流經過場效應管後放大輸出電壓信號。
6.1.2.2 鐵電體的電疇
鐵電體在整體上體現出呈現自發極化，這意味著在其正負端分 別有一層正的和負的束縛電荷．在晶體內部束縛電荷產生的 電場與極化反向（稱為退極化電場）使靜電能升高。在受機 械約束時，伴隨著自發極化的應變還將使應變能增加，均勻 極化的狀態是不穩定的，晶體將分成若干個社區域，每個社 區域內部電偶極子具有同一方向，但各個社區域之間電偶極 子方向有可能不同，這些社區域稱為電疇或疇。疇的間界叫 疇壁。疇的出現使晶體的靜電能和應變能降低，但疇壁的存 在引入了疇壁能。總自由能取極小值的條件決定了電疇的穩 定構型。當無外電場時，電疇無規則，所以淨極化強度為零。 而當施加外電場時，與電場方向一致的電疇長大，而其他電 疇變小，因此，極化強度隨電場強度變大而變大。
6.3.1.3 壓電材料的種類
1）晶體
自從第一個鐵電體羅息鹽發現以後，鐵電體就作為重要的壓電 材料得到應用．雖然非鐵電性的壓電晶體石英以其高穩定、 低損耗特性在頻率選擇和控制方面佔優勢，但從總體來看， 實用的壓電材料大部分是鐵電體，尤以壓電陶瓷用量最大， 具有鐵電性的晶體很多，其分類如下：
KDP在室溫下的結構如圖6.2所示，其結構可以看成由2套磷酸 根四面體組成的體心四方點陣和2套鉀離子陣心四方點陣套構 在一起形成的。
6.2.2 位移型相變鐵電體
許多氧化物鐵電體都是位移型鐵電體。鈦酸鋇就屬於這類鐵電 體，並且研究的也比較透徹。下麵就對鈦酸鋇鐵電體發生鐵 電相變時晶體結構變化的特點加以闡述。
圖6.5為熱釋電傳感器的構造，光線從（l）窗進入，經過（2） 濾光片到達（3）熱釋電元件，從而產生電信號，電信號經過 （4）引線輸出。
工作原理：熱釋電紅外感測器的窗口接收光線，濾波片對自然 界中的白光信號具有抑制作用，因此，只有特定波長的紅外 信號才能透過濾波片照射在熱釋電元件上。熱釋電元件被光 照後，由於熱釋電元件的上下表面受到的光照不同，產生電 子，並且形成電流，使兩塊黑色塗膜產生不同的熱釋電。電 流經過場效應管後放大輸出電壓信號。
6.1.2.2 鐵電體的電疇
鐵電體在整體上體現出呈現自發極化，這意味著在其正負端分 別有一層正的和負的束縛電荷．在晶體內部束縛電荷產生的 電場與極化反向（稱為退極化電場）使靜電能升高。在受機 械約束時，伴隨著自發極化的應變還將使應變能增加，均勻 極化的狀態是不穩定的，晶體將分成若干個社區域，每個社 區域內部電偶極子具有同一方向，但各個社區域之間電偶極 子方向有可能不同，這些社區域稱為電疇或疇。疇的間界叫 疇壁。疇的出現使晶體的靜電能和應變能降低，但疇壁的存 在引入了疇壁能。總自由能取極小值的條件決定了電疇的穩 定構型。當無外電場時，電疇無規則，所以淨極化強度為零。 而當施加外電場時，與電場方向一致的電疇長大，而其他電 疇變小，因此，極化強度隨電場強度變大而變大。
电子材料的压电性能与铁电性能PPT(41张)
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。
• 它是压电材料进行机-电能量转换的能力反映。 它与材料的压电常数、介电常数和弹性常数 等参数有关，是一个比较综合性的参数。其 值总是小于1。
2 压电效应基本原理 晶体不受外力作用，正、负电荷的中心重合，因而晶 体表面无荷电．
对晶体施加机械力时，晶体会发生因形变而导致的正、 负电荷中心不重合，引起晶体表面的荷电
3 正压电效应 4 逆压电效应
具有压电效应的晶体，电场的作用引起晶体内部正负 电荷中心的位移，导致晶体发生形变
第一节
5 压电材料 机电耦合效应
第一节 压电性能
三 压电性能的主要参数
1 介电常数 反映材料的介电性质（或极化性能）
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
向；T3为应力；D3为电位移。
•
它是压电介质把机械能（或电能）转
换为电能（或机械能）的比例常数，反映了
应力（T）、应变（S）、电场（E）或电位
移（D）之间的联系，直接反映了材料机电
性能的耦合关系和压电效应的强弱，从而引
出了压电方程。常见的压电常数有四种：dij、
gij、 eij、 hij。
2、机电耦合系数Kp
第二节 热释电与铁电性能
二晶体的热释电效应
1 热释电效应及其产生条件 （1）热释电效应 晶体因温度均匀变化而发生极化强度改变 （2）热释电效应产生条件 一定是具有自发极化(固有极化)的晶体 晶体结构的极轴与结晶学的单向重合 具有对称中心的晶体不可能有热释电效应
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
LB61_铁电基础PPT课件
41
图6-4： 铁电体按居 里-外斯常数 分类表
42
量子顺电体 Quantum Paraelectrics
先兆性铁电体 Incipient Ferroelectrics 代表性材料：SrTiO3， 其它有： CaTiO3 ， KTaO3 主要特点：介电常数随温度减低而增大，
在低温区出现一个平台，整个温度区间 没有铁电性。 有出现铁电性的先兆；可能是量子涨落造 成低温区不出现铁电性。
➢钛酸铋钠 (Na1/2Bi1/2)TiO3，A-位复合
钙钛矿结构
➢其它材料：钨青铜结构(tungsten
bronze)
47
Kighelman, Damjanov and N Setter, J Appl Phys 90(2001) 464884
G A Smolenski, J Phys Soc Jpn 28Supl (1970) 2649
4
主要特征
➢电滞回线hysteresis loop ➢居里温度Curie temperature c ➢介电反常Dielectric anomalous
5
电滞回线 hysteresis loop
6
7
➢自发极化Ps ➢剩余极化Pr ➢矫顽电场Ec
8
Sawyer-Tower 电路
9
➢电滞回线表明，铁电体的极化强度与外电场
18
Spontaneous polarization of BaTiO3
19
Dielectric constant of BaTiO3
20
21
22
钛酸钡晶体的自发畸变与温度的关系
23
24
KDP晶体的自发极化强度与温度的关系
25
KDP晶体的介电常数与温度的关系
图6-4： 铁电体按居 里-外斯常数 分类表
42
量子顺电体 Quantum Paraelectrics
先兆性铁电体 Incipient Ferroelectrics 代表性材料：SrTiO3， 其它有： CaTiO3 ， KTaO3 主要特点：介电常数随温度减低而增大，
在低温区出现一个平台，整个温度区间 没有铁电性。 有出现铁电性的先兆；可能是量子涨落造 成低温区不出现铁电性。
➢钛酸铋钠 (Na1/2Bi1/2)TiO3，A-位复合
钙钛矿结构
➢其它材料：钨青铜结构(tungsten
bronze)
47
Kighelman, Damjanov and N Setter, J Appl Phys 90(2001) 464884
G A Smolenski, J Phys Soc Jpn 28Supl (1970) 2649
4
主要特征
➢电滞回线hysteresis loop ➢居里温度Curie temperature c ➢介电反常Dielectric anomalous
5
电滞回线 hysteresis loop
6
7
➢自发极化Ps ➢剩余极化Pr ➢矫顽电场Ec
8
Sawyer-Tower 电路
9
➢电滞回线表明，铁电体的极化强度与外电场
18
Spontaneous polarization of BaTiO3
19
Dielectric constant of BaTiO3
20
21
22
钛酸钡晶体的自发畸变与温度的关系
23
24
KDP晶体的自发极化强度与温度的关系
25
KDP晶体的介电常数与温度的关系
《铁电材料测试》PPT课件
理想的电滞回线。
Qs
Qs
Uc
U
Qi U
Qr U
(a)
(b)
(c)
图5-3 电荷Qs、Qi和Qr与电压的关系
(2)Qi：感应极化所提供的电荷Qi与电容Cxi和电压U成正比：
Q iU m C xsi in t (5-1-3)
Qi为一正弦波。Qi与U的关系如图5-3b所示，关系曲线
为一通过原点的直线。
• 示波器水平偏向板上的电压与加在样品上的电压(或电场强
度E)成正比。
如果电容C0选择适宜，那么电压每变化一个周期，可在示 波器荧光屏上显示出电滞回线图形来。
Cx W
C0
Cx:铁电电容 C0:标准电容
C0 >> Cx
图5-5 简单的Sawyer-Tower电路
示波器的X方向:外加电压 示波器的Y方向:C0上的电压
5-1-1 电滞回线的特征和构成
铁电体中，除电畴反转过程所导致的极化以外，还 存在着感应极化、铁电体的损耗极化。铁电试样的等值 电路如图5-3所示。
Cxs：与电畴反转过程相对应的
Cxs Cxi Rx
U
等值电容；
Cxi：与线性感应极化相对应的
等值电容；
Rx：与试样的漏电导和感应极
化损耗相对应的等值电阻
的这三部分叠加起来，得到如图5-4所示的全
电滞回线。
图5-4 全电滞回线
目的：研究与电畴反转过程有关的各种现象，即与Ps有关的 参数Qs和与EC有关的参数UC 。 只有电荷Qs与电压U的关系才真正反映电畴的反转过程。 试样的全电滞回线包含了Qi和Qr的影响。
Qi使得Qs的饱和支、上升支和下降支发生倾斜。 而Qr使Qs的饱和支畸变成一个环状端，使测试值偏高。
Qs
Qs
Uc
U
Qi U
Qr U
(a)
(b)
(c)
图5-3 电荷Qs、Qi和Qr与电压的关系
(2)Qi：感应极化所提供的电荷Qi与电容Cxi和电压U成正比：
Q iU m C xsi in t (5-1-3)
Qi为一正弦波。Qi与U的关系如图5-3b所示，关系曲线
为一通过原点的直线。
• 示波器水平偏向板上的电压与加在样品上的电压(或电场强
度E)成正比。
如果电容C0选择适宜，那么电压每变化一个周期，可在示 波器荧光屏上显示出电滞回线图形来。
Cx W
C0
Cx:铁电电容 C0:标准电容
C0 >> Cx
图5-5 简单的Sawyer-Tower电路
示波器的X方向:外加电压 示波器的Y方向:C0上的电压
5-1-1 电滞回线的特征和构成
铁电体中，除电畴反转过程所导致的极化以外，还 存在着感应极化、铁电体的损耗极化。铁电试样的等值 电路如图5-3所示。
Cxs：与电畴反转过程相对应的
Cxs Cxi Rx
U
等值电容；
Cxi：与线性感应极化相对应的
等值电容；
Rx：与试样的漏电导和感应极
化损耗相对应的等值电阻
的这三部分叠加起来，得到如图5-4所示的全
电滞回线。
图5-4 全电滞回线
目的：研究与电畴反转过程有关的各种现象，即与Ps有关的 参数Qs和与EC有关的参数UC 。 只有电荷Qs与电压U的关系才真正反映电畴的反转过程。 试样的全电滞回线包含了Qi和Qr的影响。
Qi使得Qs的饱和支、上升支和下降支发生倾斜。 而Qr使Qs的饱和支畸变成一个环状端，使测试值偏高。
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。
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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。
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
•·
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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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03
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弱磁性：铁电材料具有
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ABO3型钙钛矿结构
2021/3/19
12
ABO3型钙钛矿晶胞结构
2021/3/19
13
1. 铁电材料的钙钛矿结构
❖ 离子A、B、C的半径RA、RB、RO满足下列关系才 能组成ABO3结构： RA+RO=√2 t （RB+RO）
式中t为容差因子，可以在0.9~1.1范围内，这样A离 子半径约为1.00~1.40A，B离子半径约为0.45~0.75， 氧离子半径为1.32A。
2021/3/19
14
a 简单钙钛矿结构化合物 ABO3型
A位：+2价阳离子，如Mg2+， Ca2+，Sr2+，Ba2+，Zn2+，Pb2+等 B位：+4价阳离子，如Ti4+，Zr4+等
典型化合物： BaTiO3 ， CaTiO3 ， SrTiO3 ， PbTiO3 ， ZnTiO3 ， BaZrO3 ， PbZrO3 等
2021/3/19
9
铁电体的定义： 是指在某温度范围内具有自发极化且极 化强度可以因外电场而反向的晶体。
铁电体的两个特点是： ❖一是具有电滞回线， ❖一个是具有许多电畴。
所谓电畴就是在一个电畴范围内永久偶极矩的取向都一 致。因此凡具有电畴和电滞回线的介电材料就称为铁电体。
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1.2、晶 体 结 构
2021/3/19
15
b 复合钙钛矿结构化合物
（A1 x1 A2x2）（B1y1B2y2）O3型
其中：x1，x2分别为A1离子和A2离子化学计量比；x1+x2=1 y1，y2分别为B1离子和B2离子化学计量比；y1+y2=1
A1A2占据A位，满足条件：
A位化合价= A1·x1+A2 ·x2=+2价
材料可按其对外电场的响应方式区分为两类，一 类是以电荷长程迁移即传导的方式对外电场作出响 应，这类材料称为导电材料。另一类以感应的方式 对外电场作出响应，即沿着电场方向产生电偶极矩 或电偶极矩的改变，这类材料称为电介质，这种现 象称为电介质的极化。
2021/3/19
7
电介质的极化与铁电性
❖ 电介质又分为非极性电介质和极性电介质两大 类。前者由非极性分子组成，在无外电场时分子的 正负电荷重心互相重合，不具有电偶极矩。只是在 外电场作用下正负电荷出现相对位移，才出现电偶 极矩。后者由极性分子组成，即使在无外场时每个 分子的正负电荷重心也不互相重合，具有固有电矩， 它与铁电性有密切关系。
2021/3/19
8
介质的极化特性与其晶体结构有着深刻的 内在联系。
晶体可分为7大晶系，32种点群。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。
2021/3/19
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1.1、基 本 概 念
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5
1 极化 polarization
在电场作用下，电介质中束缚着的电荷发生位移或者极性按电场方向转动 的现象，称为电介质的极化。
单位面积的极化电荷量称为极化强度，它是一个矢量，用P表示，其单 位为C/m2。
2 自发极化 spontaneous polarization
B1B2占据B位，满足条件： B位化合价= B1·y1+B2 ·y2=+4价
B1离子：低价阳离子，如Mg2+，Zn2+，Ni2+，Fe3+，Sc3+等
B2离子：高价阳离子，如Ti4+，Nb5+，Ta5+，W6+ 等
2021/3/19
16
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
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3
铁电材料 ferroelectric materials
具有自发极化，且自发极化能够介电常数可高达103～104（普通电介质的介电常数仅 为几十），具有功能多、用途广、品种繁多的特点。
利用其高介电常数的特点，可以用于制作小体积、大容量的低频电 容器，广泛应用在滤波、旁路、隔直等电子线路中。
在没有外电场作用时，晶体中存在着由于电偶极子的有序排列而产生 的极化，称为自发极化。
在垂直于极化轴的表面上，单位面积的自发极化电荷量称为自发极化强 度。
3 介电常数
dielectric constant
表征材料极化并储存电荷能力的物理量称为介电常数，用ε表示，无量纲。
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电介质的极化与铁电性
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1. 铁电材料的钙钛矿结构
钙钛矿结构以BaTiO3的结构为代表，许多铁电、 介电、压电、光电以及高温超导材料都具有钙钛 矿结构，如：
BaTiO3, PbZrO3 Pb(Zn1/3Nb2/3)O3，Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 (Na1/2Bi1/2)TiO3，(K1/2Bi1/2)TiO3
第五章 铁电功能材料
2021/3/19
1
电 功 能 材 料
2021/3/19
电介质功能材料 电导体功能材料
介电材料 铁电材料 压电材料 敏感电介质材料
导电材料 快离子导体 电阻材料 超导电体
2
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。
利用其压电特性，可以用于制作压电陶瓷谐振器、滤波器、压电传 感器、超声换能器、压电变压器等电子元器件。
70年代以来，研制成功透明铁电陶瓷，使得铁电体的光学效应在更 广阔的科技领域加以利用。
80年代以来，铁电薄膜的出现，被广泛应用于制作铁电存储器使得 铁电体的光学效应在更广阔的科技领域加以利用。
目前得到广泛使用的铁电陶瓷材料，几乎都是以钙钛矿结构为主的固 溶体陶瓷。
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ABO3型钙钛矿晶胞结构
2021/3/19
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1. 铁电材料的钙钛矿结构
❖ 离子A、B、C的半径RA、RB、RO满足下列关系才 能组成ABO3结构： RA+RO=√2 t （RB+RO）
式中t为容差因子，可以在0.9~1.1范围内，这样A离 子半径约为1.00~1.40A，B离子半径约为0.45~0.75， 氧离子半径为1.32A。
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a 简单钙钛矿结构化合物 ABO3型
A位：+2价阳离子，如Mg2+， Ca2+，Sr2+，Ba2+，Zn2+，Pb2+等 B位：+4价阳离子，如Ti4+，Zr4+等
典型化合物： BaTiO3 ， CaTiO3 ， SrTiO3 ， PbTiO3 ， ZnTiO3 ， BaZrO3 ， PbZrO3 等
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铁电体的定义： 是指在某温度范围内具有自发极化且极 化强度可以因外电场而反向的晶体。
铁电体的两个特点是： ❖一是具有电滞回线， ❖一个是具有许多电畴。
所谓电畴就是在一个电畴范围内永久偶极矩的取向都一 致。因此凡具有电畴和电滞回线的介电材料就称为铁电体。
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10
1.2、晶 体 结 构
2021/3/19
15
b 复合钙钛矿结构化合物
（A1 x1 A2x2）（B1y1B2y2）O3型
其中：x1，x2分别为A1离子和A2离子化学计量比；x1+x2=1 y1，y2分别为B1离子和B2离子化学计量比；y1+y2=1
A1A2占据A位，满足条件：
A位化合价= A1·x1+A2 ·x2=+2价
材料可按其对外电场的响应方式区分为两类，一 类是以电荷长程迁移即传导的方式对外电场作出响 应，这类材料称为导电材料。另一类以感应的方式 对外电场作出响应，即沿着电场方向产生电偶极矩 或电偶极矩的改变，这类材料称为电介质，这种现 象称为电介质的极化。
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7
电介质的极化与铁电性
❖ 电介质又分为非极性电介质和极性电介质两大 类。前者由非极性分子组成，在无外电场时分子的 正负电荷重心互相重合，不具有电偶极矩。只是在 外电场作用下正负电荷出现相对位移，才出现电偶 极矩。后者由极性分子组成，即使在无外场时每个 分子的正负电荷重心也不互相重合，具有固有电矩， 它与铁电性有密切关系。
2021/3/19
8
介质的极化特性与其晶体结构有着深刻的 内在联系。
晶体可分为7大晶系，32种点群。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。
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4
1.1、基 本 概 念
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5
1 极化 polarization
在电场作用下，电介质中束缚着的电荷发生位移或者极性按电场方向转动 的现象，称为电介质的极化。
单位面积的极化电荷量称为极化强度，它是一个矢量，用P表示，其单 位为C/m2。
2 自发极化 spontaneous polarization
B1B2占据B位，满足条件： B位化合价= B1·y1+B2 ·y2=+4价
B1离子：低价阳离子，如Mg2+，Zn2+，Ni2+，Fe3+，Sc3+等
B2离子：高价阳离子，如Ti4+，Nb5+，Ta5+，W6+ 等
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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
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铁电材料 ferroelectric materials
具有自发极化，且自发极化能够介电常数可高达103～104（普通电介质的介电常数仅 为几十），具有功能多、用途广、品种繁多的特点。
利用其高介电常数的特点，可以用于制作小体积、大容量的低频电 容器，广泛应用在滤波、旁路、隔直等电子线路中。
在没有外电场作用时，晶体中存在着由于电偶极子的有序排列而产生 的极化，称为自发极化。
在垂直于极化轴的表面上，单位面积的自发极化电荷量称为自发极化强 度。
3 介电常数
dielectric constant
表征材料极化并储存电荷能力的物理量称为介电常数，用ε表示，无量纲。
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电介质的极化与铁电性
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1. 铁电材料的钙钛矿结构
钙钛矿结构以BaTiO3的结构为代表，许多铁电、 介电、压电、光电以及高温超导材料都具有钙钛 矿结构，如：
BaTiO3, PbZrO3 Pb(Zn1/3Nb2/3)O3，Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 (Na1/2Bi1/2)TiO3，(K1/2Bi1/2)TiO3
第五章 铁电功能材料
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1
电 功 能 材 料
2021/3/19
电介质功能材料 电导体功能材料
介电材料 铁电材料 压电材料 敏感电介质材料
导电材料 快离子导体 电阻材料 超导电体
2
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。
利用其压电特性，可以用于制作压电陶瓷谐振器、滤波器、压电传 感器、超声换能器、压电变压器等电子元器件。
70年代以来，研制成功透明铁电陶瓷，使得铁电体的光学效应在更 广阔的科技领域加以利用。
80年代以来，铁电薄膜的出现，被广泛应用于制作铁电存储器使得 铁电体的光学效应在更广阔的科技领域加以利用。
目前得到广泛使用的铁电陶瓷材料，几乎都是以钙钛矿结构为主的固 溶体陶瓷。