热释电效应的原理与进展 ppt课件
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热释电系数以及与其他参量的关系
热释电系数和电热系数 弹性电介质的热力学状态可由温度T,熵S,电 场E，电位移D，应力X和应变x这三对物理量 来描述。先考虑取T,E,X为独立变量的情况下， 此时电位移的微分形式可写为：
dm D D X m i E ,TdiX D E m n X,TdnE D T m X,EdT
17
d m D d E m ,T d ii X E m ,T d n n E p E m ,X d ,( 8 . T 3 )
式中下标m=13,i=16,上标指保持恒定的物 理量。右边第一和第二项分别反映了压电性 和介电性，第三项反映的是热释电性。 如果应力和电场保持恒定（或为零），则有：
dm D p E m ,X dT(8 .4 )
18
现在讨论热释电系数与其它参量的关系。因 为独立变量为温度，电场和应力，故特征函 数为吉布斯自由能
G U T X i x S i E m D m ( 8 . 5 )
8
热释电效应的强弱用热释电系数来表示。 假设整个晶体的温度均匀的改变了一个小 量ΔT，则极化的改变可由下式给出：
PpT, (8.1)
式中p是热释电系数，它是一个矢量，一般 有三个非零分量
9
pm P T m, m1,2,3, (8.2) 其单位为C·m-2·K-1。热释电系数符号通常是 相对于晶体压电轴的符号定义的。按照IRE 标准的规定，晶轴的正端沿该轴受张力时 出现正电荷的一端。在加热时，如果靠正 端的一面产生正电荷，就定义热释电系数 为正，反之为负。
3
在二十世纪六十年代以来，激光和红外技术 的发展极大的促进了热释电效应及其应用的 研究，丰富和发展了热释电理论，发现和改 变了一些重要的热释电材料，研制了性能优 良的热释电探测器和热释电摄像管等热释电 器件。热释电效应及其应用已经成为凝聚态 物理和技术中活跃的研究领域之一。
4
这里主要介绍两部分内容。 一是热释电效应的表征和热释电性的测量方
12
通常，样品在变温过程中并不受到夹持，而 是处于自由的(应力恒定)的状态。在这种情 况下，样品因为热膨胀发生的形变通过压电 效应改变极化，这一部分贡献叠加到初级热 释电效应上。恒应力样品在均匀变温时表现 出来的这一附加的热释电效应称为次级热释 电效应热释电效应(secondary) 。
13
恒应力条件下的热释电效应是初级和次级热 释电效应的叠加。恒应力热释电系数等于初 级热释电系数与次级热释电系数之和。 热释电器件中的热释电体往往既非受夹持， 也非完全自由，而是出于部分夹持状态。这 种情况下热释电系数被称为部分夹持热释电 系数。
法； 二是热释电效应的微观机制，热释电效应与
相变的关系及热释电材料应用的一些问题。
5
热释电效应
热释电效应指的是极化强度随温度改变而表 现出的电荷释放现象，宏观上是温度的改变 在材料的两端出现电压或产生电流。 考虑一个单畴化的铁电体，其中极化强度的 排列使靠近极化矢量两端的表面附近出现束 缚电荷。在热平衡状态下，这些束缚电荷被 等量反号的自由电荷所屏蔽，所以铁电体对 外界并不显示电的作用。
7
与压电效应不同的是，热释电效应中极化的改 变由温度变化引起，压电效应中极化的改变则 是由应力造成的。
属于具有特殊极性方向的10个极性点群的晶体 具有热释电性，所以常称它们为热释电体。其 中大多数的极化可因电场作用而重新取向，是 铁电体。经过强直流电场处理的铁电陶瓷和驻 极体，其性能可按极性点群晶体来描写，也具 有热释电效应。
14
如果样品被非均匀的加热(冷却),则其中将形 成应力梯度，后者通过压电效应也对热释电效 应有贡献，这种因非均匀变温引入的热释电效 应为第三热释电效应（tertiary）或假 （false）热释电效应。称为假热释电效应是 因为任何压电体都可能表现出这种热释电效应， 而在均匀变温的条件下，不属于极性点群的压 电体是不可能有热释电效应的。在测量时要保 证样品受热均匀，以排除假热释电效应。
15
以上讨论的都是可称为矢量热释电效应，因 为它反映的是电偶极矩(矢量)随温度的变化。 一般来说晶体也具有电四极矩，后者在温度 改变时也会发生变化，这种变化应该用张量 来描述，因而称为张量热释电系数，虽然有 迹象表明，这种现象很可能是存在的，但还 没有得到确切的证实。一般认为，即使它存 在也是非常微弱的。
热释电效应 Pyroelectric Effect
热释电效应； 表征和测量； 微观机制； 相变和应用。
1
电介质材料之间的关系
电介质材料 压电材料 热释电材料 铁电材料
压电陶瓷材料
2
Fra Baidu bibliotek
约在公元前300年人们就发现了热释电效应。 不过热释电的现代名称pyroelectricity是 1824年才由布鲁斯特引入的。热释电效应很 早就被发现的原因是他们很容易显示出来。 关于热释电效应的最早的记录就是电气石吸 引轻小物体。早期主要是对现象的描述，从 19世纪末开始，随着近代物理的发展，关于 热释电效应的定量和理论的研究日益发展。
6
当温度改变时，极化强度发生变化，原先的自 由电荷不能再完全屏蔽束缚电荷，于是表面出 现自由电荷，他们在附近空间形成电场，对带 电微粒有吸引或者排斥作用。通过与外电路连 接，则可在电路中观测到电流。升温和降温两 种情况下电流的方向相反，与铁电体中的压电 效应相似，热释电效应中电荷或电流的出现是 由于极化改变后对自由电荷的吸引能力发生变 化，使在相应表面上自由电荷增加或减少。
10
铁电体的自发极化一般随温度升高而减小， 故热释电系数为负。但相反的情况也是有的， 例如罗息盐在其居里点附近自发极化随温度 升高而增大。 在研究热释电效应时，必须注意边界条件和 变温的方式。因为热释电体都具有压电性， 所以温度改变时发生的形变也会造成极化的 改变，这也是对热释电效应的贡献。
11
在均匀受热(冷却)的前提下，根据实验过 程中的机械边界条件可将热释电效应分为 两类。 如果样品受到夹持(应变恒定)，则热释电 效应仅来源于温度改变造成的极化改变， 称为初级热释电效应(primary)或恒应变热 释电效应。
热释电系数以及与其他参量的关系
热释电系数和电热系数 弹性电介质的热力学状态可由温度T,熵S,电 场E，电位移D，应力X和应变x这三对物理量 来描述。先考虑取T,E,X为独立变量的情况下， 此时电位移的微分形式可写为：
dm D D X m i E ,TdiX D E m n X,TdnE D T m X,EdT
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d m D d E m ,T d ii X E m ,T d n n E p E m ,X d ,( 8 . T 3 )
式中下标m=13,i=16,上标指保持恒定的物 理量。右边第一和第二项分别反映了压电性 和介电性，第三项反映的是热释电性。 如果应力和电场保持恒定（或为零），则有：
dm D p E m ,X dT(8 .4 )
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现在讨论热释电系数与其它参量的关系。因 为独立变量为温度，电场和应力，故特征函 数为吉布斯自由能
G U T X i x S i E m D m ( 8 . 5 )
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热释电效应的强弱用热释电系数来表示。 假设整个晶体的温度均匀的改变了一个小 量ΔT，则极化的改变可由下式给出：
PpT, (8.1)
式中p是热释电系数，它是一个矢量，一般 有三个非零分量
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pm P T m, m1,2,3, (8.2) 其单位为C·m-2·K-1。热释电系数符号通常是 相对于晶体压电轴的符号定义的。按照IRE 标准的规定，晶轴的正端沿该轴受张力时 出现正电荷的一端。在加热时，如果靠正 端的一面产生正电荷，就定义热释电系数 为正，反之为负。
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在二十世纪六十年代以来，激光和红外技术 的发展极大的促进了热释电效应及其应用的 研究，丰富和发展了热释电理论，发现和改 变了一些重要的热释电材料，研制了性能优 良的热释电探测器和热释电摄像管等热释电 器件。热释电效应及其应用已经成为凝聚态 物理和技术中活跃的研究领域之一。
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这里主要介绍两部分内容。 一是热释电效应的表征和热释电性的测量方
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通常，样品在变温过程中并不受到夹持，而 是处于自由的(应力恒定)的状态。在这种情 况下，样品因为热膨胀发生的形变通过压电 效应改变极化，这一部分贡献叠加到初级热 释电效应上。恒应力样品在均匀变温时表现 出来的这一附加的热释电效应称为次级热释 电效应热释电效应(secondary) 。
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恒应力条件下的热释电效应是初级和次级热 释电效应的叠加。恒应力热释电系数等于初 级热释电系数与次级热释电系数之和。 热释电器件中的热释电体往往既非受夹持， 也非完全自由，而是出于部分夹持状态。这 种情况下热释电系数被称为部分夹持热释电 系数。
法； 二是热释电效应的微观机制，热释电效应与
相变的关系及热释电材料应用的一些问题。
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热释电效应
热释电效应指的是极化强度随温度改变而表 现出的电荷释放现象，宏观上是温度的改变 在材料的两端出现电压或产生电流。 考虑一个单畴化的铁电体，其中极化强度的 排列使靠近极化矢量两端的表面附近出现束 缚电荷。在热平衡状态下，这些束缚电荷被 等量反号的自由电荷所屏蔽，所以铁电体对 外界并不显示电的作用。
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与压电效应不同的是，热释电效应中极化的改 变由温度变化引起，压电效应中极化的改变则 是由应力造成的。
属于具有特殊极性方向的10个极性点群的晶体 具有热释电性，所以常称它们为热释电体。其 中大多数的极化可因电场作用而重新取向，是 铁电体。经过强直流电场处理的铁电陶瓷和驻 极体，其性能可按极性点群晶体来描写，也具 有热释电效应。
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如果样品被非均匀的加热(冷却),则其中将形 成应力梯度，后者通过压电效应也对热释电效 应有贡献，这种因非均匀变温引入的热释电效 应为第三热释电效应（tertiary）或假 （false）热释电效应。称为假热释电效应是 因为任何压电体都可能表现出这种热释电效应， 而在均匀变温的条件下，不属于极性点群的压 电体是不可能有热释电效应的。在测量时要保 证样品受热均匀，以排除假热释电效应。
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以上讨论的都是可称为矢量热释电效应，因 为它反映的是电偶极矩(矢量)随温度的变化。 一般来说晶体也具有电四极矩，后者在温度 改变时也会发生变化，这种变化应该用张量 来描述，因而称为张量热释电系数，虽然有 迹象表明，这种现象很可能是存在的，但还 没有得到确切的证实。一般认为，即使它存 在也是非常微弱的。
热释电效应 Pyroelectric Effect
热释电效应； 表征和测量； 微观机制； 相变和应用。
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电介质材料之间的关系
电介质材料 压电材料 热释电材料 铁电材料
压电陶瓷材料
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Fra Baidu bibliotek
约在公元前300年人们就发现了热释电效应。 不过热释电的现代名称pyroelectricity是 1824年才由布鲁斯特引入的。热释电效应很 早就被发现的原因是他们很容易显示出来。 关于热释电效应的最早的记录就是电气石吸 引轻小物体。早期主要是对现象的描述，从 19世纪末开始，随着近代物理的发展，关于 热释电效应的定量和理论的研究日益发展。
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当温度改变时，极化强度发生变化，原先的自 由电荷不能再完全屏蔽束缚电荷，于是表面出 现自由电荷，他们在附近空间形成电场，对带 电微粒有吸引或者排斥作用。通过与外电路连 接，则可在电路中观测到电流。升温和降温两 种情况下电流的方向相反，与铁电体中的压电 效应相似，热释电效应中电荷或电流的出现是 由于极化改变后对自由电荷的吸引能力发生变 化，使在相应表面上自由电荷增加或减少。
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铁电体的自发极化一般随温度升高而减小， 故热释电系数为负。但相反的情况也是有的， 例如罗息盐在其居里点附近自发极化随温度 升高而增大。 在研究热释电效应时，必须注意边界条件和 变温的方式。因为热释电体都具有压电性， 所以温度改变时发生的形变也会造成极化的 改变，这也是对热释电效应的贡献。
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在均匀受热(冷却)的前提下，根据实验过 程中的机械边界条件可将热释电效应分为 两类。 如果样品受到夹持(应变恒定)，则热释电 效应仅来源于温度改变造成的极化改变， 称为初级热释电效应(primary)或恒应变热 释电效应。