铁电与反铁电的比较
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
电解质物理基础
电解质物理基础电偶极⼦：两个⼤⼩相等的正、负电荷（+q 和-q ），相距为L ，L 较讨论中所涉及到的距离⼩得多。
这⼀电荷系统就称为电偶极⼦。
轴线场强中垂线场强303044r r qLB E πεµπε==电量q 与⽮径L 的乘积定义为电矩，电矩是⽮量，⽤µ表⽰，即µ=q 2L µ的单位是C 2m 。
电介质极化：在外电场作⽤下，电介质内部沿电场⽅向产⽣感应偶极矩，在电介质表⾯出现极化电荷的现象称为电介质的极化。
束缚电荷（极化电荷在与外电场垂直的电介质表⾯上出现的与极板上电荷反号的电荷。
束缚电荷⾯密度记为σ’退极化电场Ed ：由极化电荷所产⽣的场强。
oo E εσ- 介电系数电容器充以电介质时的电容量C 与真空时的电容量C 0 的⽐值为该电介质的介电系数Co Cr =ε它是⼀个⼤于1、⽆量纲的常数，是综合反映电介质极化⾏为的宏观物理量。
平⾏板电容器：E+=o 1εσε’r 有效电场：实际上引起电介质产⽣感应偶极矩的电场称为有效电场或者真实电场，⽤Ee 表⽰。
感应偶极矩与有效电场Ee 成正⽐，即e E αµ=极化强度P ：单位体积中电介质感应偶极矩的⽮量和，即极化强度P 的宏观参数： r E εεχ微观参数：N α e E 联系E E N e o αεε+= 提⾼介电系数1)N ↑;2)α↑;3)Ee ↑微观参数：1、感应偶极矩µ qL =µ2、极化率α：e E αµ=（其物理含义是每单位电场强度的分⼦偶极矩。
α越⼤，分⼦的极化能⼒越强。
单位是F 2m2。
3、极化强度P （单位体积中电介质感应偶极矩的⽮量和，单位是C/m2 µN P = 则e E N P α=εr-1=χ极化系数，宏观参数第三节宏观平均场强E 是指极板上的⾃由电荷以及电介质中所有极化粒⼦形成的偶极矩共同的作⽤场强。
对于平板介质电容器，满⾜：①电介质连续均匀，②介电系数不随电场强度的改变发⽣变化。
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
+
铁电体及其相变
应力诱导相变 是指在应力作 用下，铁电体 晶体结构发生 可逆变化的现
象。
铁电体相变的应用
铁电存储器：利用铁电体的相变特性，实现数据的存储和读取 铁电场效应晶体管：利用铁电体的相变特性，实现晶体管的开关功能 铁电传感器：利用铁电体的相变特性，实现对物理量的检测和测量 铁电显示技术：利用铁电体的相变特性，实现图像的显示和更新
铁电晶体管：利用铁电体的电 场效应，实现晶体管的开关功 能
铁电光子学：利用铁电体的电 场效应，实现光子器件的调制 和控制
铁电材料在生物医学领域的 应用：利用铁电材料的生物 相容性，实现生物医学器件 的制备和应用
铁电体的相变
铁电体的相变类型
顺电相变：铁电体从顺电相变为铁电相 的过程
反电相变：铁电体从铁电相变为反电相 的过程
目的：提高铁电体的性能
效果：提高铁电体的电学性能、热 稳定性等
添加标题
添加标题
添加标题
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方法：通过表面处理，如涂层、掺 杂等
应用：在电子、能源等领域有广泛 应用
复合改性
复合材料：铁 电体与其他材 料复合，提高
性能
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
改性方法：添 加其他元素或 改变结构，提 高铁电体性能
应用领域：电 子、能源、生 物医学等领域
气相沉积法：在高温下，将 铁电体原料蒸发成气体，然 后在基底上沉积形成铁电体 薄膜
铁电体的性能优化
掺杂改性
掺杂元素：如稀土元素、过渡金属元素等 掺杂方式：固溶体、非晶态、纳米颗粒等 掺杂效果：提高铁电体的电学性能、热稳定性、机械强度等 掺杂机理：通过改变铁电体的晶体结构、电子结构等来优化性能
表面改性
添加标题 添加标题
铁电体的热释电性是指其晶体结构中存在电偶极矩，且电偶极矩的大小可以随温度变化而改变。 铁电体的电致伸缩性是指其晶体结构中存在电偶极矩，且电偶极矩的大小可以随外加电场而改变。
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。
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。
(完整word版)材料物理复习题
名词解释1。
磁晶的各向异性：单晶体的磁性各向异性2。
自发磁化:铁磁性材料在没有外加H时，原子磁矩趋于同向排列，而发生的磁化3。
磁畴：铁磁质自发磁化成的若干个小区域4、第一类超导体：大多数纯金属超导体,在超导态下磁通从超导体中全部逐出，具有完全的迈斯纳效应（完全的抗磁性)。
5。
压电体：当挤压或拉伸时，两端能产生不同的电荷的晶体6、马基申定律：ρ＝ρ（T）＋ρ残7.铁电畴：铁电体中自发极化方向相同的区域8。
自发极化：在一定温度范围内、单位晶胞内正负电荷中心不重合，形成偶极矩，呈现象极性。
这种在无外电场作用下存在的极化现象称为自发极化9.激子：空穴带正电，电子带负电，它们之间的库仑吸引互作用在一定的条件下会使它们在空间上束缚在一起，这样形成的复合体称为激子。
10。
激光:11。
磁致伸缩材料：具有磁致伸缩特性的材料。
磁性伸缩铁磁体在磁场中磁化时,其尺寸或体积发生变化的现象.12。
剩余磁感性强度:当对磁体施加完一个磁场以后,产生磁通密度。
但是把磁场去掉以后，磁通密度并不会减小到0,出现剩余磁场，此为剩余磁通密度。
13.磁弹性能：当铁磁体存在应力时，磁致伸缩要与应力相互作用，与此有关的能量14、反铁电体：在一定温度范围内相邻离子联线上的偶极子呈反平行排列,宏观上自发极化强度为零,无电滞回线的材料，称为反铁电体。
15、铁电畴：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16、电介质的击穿：一般外电场不太强时，电介质只被极化，不影响其绝缘性能.当其处在很强的外电场中时，电介质分子的正负电荷中心被拉开，甚至脱离约束而成为自由电荷，电介质变为导电材料.当施加在电介质上的电压增大到一定值时，使电介质失去绝缘性的现象称为击穿17、第二类超导体:铌、钒及其合金中，允许部分磁通透入,仍保留超导电性.存在两个临界磁场，较低的Hc1和较高的Hc2.18、热释电体:对于具有自发式极化的晶体，当晶体受热或受冷后，由于ΔT而导致自发式极化强度变化（ΔPS),从而在晶体的一定方向上产生表面极化电荷的现象称为“热释电效应”.具有热释电效应的材料称为热释电体。
第11章 铁电性质
S
材料物理 上海大学
1.小面元dS附近分子对面S内极化电荷的贡献 在dS附近薄层内认为介质均匀极化 薄层：以dS为底、长为l的圆柱体
S
dS
只有中心落在薄层内的分子才对 面S内电荷有贡献。
外场
P
dS
所以，
dq′ = qnl dS cosθ
= PdScosθ = P ⋅ dS
l
P = nql
F
F
E0
E0
材料物理 上海大学
外场越大，电矩趋于外场方向一致性越好，电矩的矢量和也越大 说明：电子位移极化效应在任何电介质中都存在，而分子转向 极化只是由有极分子构成的电介质所特有的，只不过在有极分 子构成的电介质中，取向极化效应比位移极化强得多，因而是 主要的。 1）不管是位移极化还是取向极化，其最后的宏观效果都是 产生了极化电荷。
以晶格动力学为基础； 波恩和黄昆：一个晶体可以稳定存在的条件是它对于其晶格中所有 频率的简正振动是稳定的（该点在相变理论研究中未引起重视）。 自发极化的出现联系于布里渊区中心某个光学横模的“软化” － －－科考仑和安德森。 简谐振动中，连接小球的弹簧在外力作用下变软，直至弹性系数变 为0，该振动模式被“冻结”。
综 2）两种极化都是外场越强，极化越厉害，所产生的分子电 述： 矩的矢量和也越大。
3）极化电荷被束缚在介质表面，不能离开电介质到其它带 电体，也不能在电介质内部自由移动。它不象导体中的自由 电荷能用传导方法将其引走，称为束缚电荷。
材料物理 上海大学
二、电介质定义及有关物理量： 1 、电偶极矩：由大小相等、符号相反、彼 此相距为l的两点电荷(+q、-q)所组成的束缚 系统，称为偶极子，偶极子的大小和方向常 用电偶极矩p来表示(方向由负电荷指向正电 O 荷)
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。
电介质物理课后答案
答：在电场作用下平板电介质电容器的介质表面上的束缚电荷所产
的、与外电场方向相反的电场，起削弱外电场的作用，所以称为
退极化电场。
退极化电场：
平均宏观电场：
充电电荷所产生的电场：
1－3氧离子的半径为 ，计算氧的电子位移极化率。
提示：按公式 ，代入相应的数据进行计算。
1－4在标准状态下，氖的电子位移极化率为 。试求出氖的
解：在交变电场的作用下，由于电场的频率不同，介质的种类、所处
的温度不同，介质在电场作用下的介电行为也不同。
当介质中存在弛豫极化时，介质中的电感应强度D与电场强度E
在时间上有一个显著的相位差，D将滞后于E。 的简单表示式
不再适用了。并且电容器两个极板的电位于真实的电荷之间产生相位
差，对正弦交变电场来说，电容器的充电电流超前电压的相角小于
因素有关？关系如何？如何提高固体电介质的热击穿电压？
答：答案参考课本有关的章节。
3－14根据瓦格纳的热击穿电压的计算公式，解释能否利用增加固体电介质
的厚度来增加固体电介质的热击穿电压，为什么？
答：答案参考课本有关的章节。
3－15简要叙述瓦格纳的热击穿理论；瓦格纳的热击穿理论的实用性如何？
答：答案参考课本有关的章节。
少？
解：真空时：
介质中：
1－19一平行板介质电容器，其板间距离 ， ，介电系数 ＝
2，外界 的恒压电源。求电容器的电容量C；极板上的自由电荷q；
束缚电荷 ；极化强度P；总电矩 ；真空时的电场 以及有效电场
。
解：
1－20边长为10mm、厚度为1mm的方形平板介质电容器，其电介质的相对
介电系数为2000，计算相应的电容量。若电容器外接 的电压，
铁电体定义、特征和基础知识
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。
至今已经发现的铁电晶体有一千多种。 它们广泛地分布于从立方晶系到单斜晶系 的10个点群中。 它们的自发极化强度从10-4C/m2到 1C/m2；它们的居里点有的低到-261.5C （酒石酸铊锂），有的高于1500C。
35
表6-1给出了部分铁电晶体的分子式、居里 点和自发极化强度。 对于晶格结构和特性差异如此之大的各种 铁电体，要对它们做完善的统一分类是不 容易的。 到目前。
铁电体定义、特征和基础知识
1
➢什么是铁电体， ➢开关特性，Sawyer-Tower 电路 ➢铁电体主要特征 ➢典型的铁电材料的主要物理性质 ➢铁电材料的分类， ➢反铁电体
2
基本定义
➢具有自发极化强度（Ps） Spontaneous Polarization
➢自发极化强度能在外加电场下反转, Switchable Ps
36
单轴铁电体，多轴铁电体
根据铁电体的极化轴的多少分为两类。一 类是只能沿一个晶轴方向极化的铁电体， 如罗息盐以及其它酒石酸盐，磷酸二氢钾 型铁电体，硫酸铵以及氟铍酸铵等。另一 类是可以沿几个晶轴方向极化的铁电体 （在非铁电相时这些晶轴是等效的），如 钛酸钡、铌酸钾、钾铵铝矾等。这种分类 方法便于研究铁电畴。
27
铁电体材料理论及性综述
一、铁电体材料相关概
4. 铁电材料的钙钛矿结构
念
A位变化形成的化合物：
(A1+2A2+2)TiO3型
(Sr,Ba)TiO3
(Sr,Ba)ZrO3
(Mg,Zn)TiO3
(Sr,Pb)ZrO3
(A+11/2A+31/2)TiO3型
(Na1/2Bi1/2)TiO3
(K1/2Bi1/2)TiO3
一、铁电体材料相关概
AT
即无论正向电场或反向电场均
使试样伸长（缩短）。
二、铁电体材料的特性
5、热释电效应 pyroelectric effect
在10种具有单一极轴的点群晶体中，绝缘 或半绝缘的极性晶体因为温度均匀改变而使晶体出 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 象称为热释电效应。
念
b 复合钙钛矿结构化合物
（A1 x1 A2x2）（B1y1B2y2）O3型
B1B2占据B位，满足条件： y1，y2分别为B1离子和B2离子化学计量比:y1+y2=1
B位化合价= B1·y1+B2 ·y2=+4价
B1离子：低价阳离子，如Mg2+，Zn2+，Ni2+，Fe3+等 B2离子：高价阳离子，如Ti4+，Nb5+，Ta5+，W6+ 等
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。
一、铁电体材料相关概
4. 铁电材料的钙钛矿结构
念
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
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
铁电性(材料物理性能)
• •
Ti4+
O-
•° • •• • • ° • • •° • • •
7
°
•
•
例2：具有极性轴或结构本身具有自发极化的结构 + + + + + 正 电 荷 层 与 负 电 荷 层 交 替 排 列
固 有 偶 极 子
+ +
+
+ -
+
+ -
+
+
纤锌矿(ZnS)结构在（010）上投影
一、铁电体
是一类特殊的电介质材料，在一定温度范围内含有能自发极化，并且 发极化方向可随外电场作可逆转动的晶体。
1、铁电体的特点
1）铁电体是非线性介质 即极化强度和外施电压的关系是非线性的。
P 0 E
备注：线性介质
没有外加电场时，介质的极化强度等于零。 有外电场时，介质的极化强度与宏观电场E 成正比。
1
2）铁电体是极性晶体
即其极化状态并非由外电场所引起，而是由晶体内部结构特点所 引起，晶体中每个晶胞内存在固有电偶极矩。
注意：铁电晶体一定是极性晶体，但并非所有的极性晶体都是铁电体
2
3）铁电体的极化是自发极化
A.按相转变的自发极化机构铁电体分两类 ：
第一类是位移型，其自发极化同一类离 子的亚点阵相对于另一类亚点阵的整体 位移相联系。 位移型铁电体的结构大多同钙钛矿结构 及钛铁矿结构紧密相关。钛酸钡是典型 的钙钛矿型的铁电体。 Ba2+ Ti4+ O-
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O-
多铁性材料
铁电性：具有稳定的自发电极化P，随外加电场E变化 时表现出电滞。
铁电体典型的P-E电滞回线如图所示，同时，电滞回 线也反应了自发极化随外加电场的变化而发生的转向。
铁弹性
铁弹性是指在一定温度范围内，应力与应变关系曲 线呈现与铁磁体的磁滞回线及铁电体的电滞回线相 似特征的材料特性。
正磁电效应: 磁场 调控 电性 DP = a DH or DE = a E DH
逆磁电效应: 电场 调控 磁性 DM = a DE
铁磁—铁电 复合
强耦合：巨磁电效应 室温、低场操纵
多铁性材料的分类：
多铁材料可以简单地分为两大类 一 单相材料 （纯净物） 二 复合体系 （混合物）
研究近况：
单相材料中近年来研究较热的材料， 主要有如下几类：
到了2000年，加州大学圣芭芭拉分校的Nicola Hill(现随夫姓 Spaldin，现瑞士苏黎世理工学院)指出磁电耦合材料如此稀少的 本质原因是因为磁性需要不满壳层的电子而铁电性需要满壳层的 电子，因此两者本质上是互相排斥的。磁与电在固体中水火不容！ 这无疑像一张病危通知书，预示着固体中的磁电耦合走到了绝路。
1966 年，人们发现硼酸盐Ni3B7O13I 单晶在低于60 K 的温 度以下同时具有弱铁磁性和铁电有序，并且在这一体系中观 察到了磁电耦合效应，即外加磁场在翻转磁矩的同时也能将 电极化翻转，这一效应被称为磁电开关效应。
如图所示，这是人类历史上发现的第 一个多铁材料。
Ni3B7O13I 中的磁电开关效应
多铁性材料
一，简述
多铁性材料这一概念是1994年瑞士的Schmid 明确提出的，多铁性材料(mutliferroic)是指材料 的同一个相中包含两种及两种以上铁的基本性能， 是一种集电与磁性于一身的多功能材料。常见的 多铁性材料有BiFeO3、TbMnO3、Ca2CoMnO6等。
铁电材料的特性及应用综述
铁电材料的特性及应用综述孙敬芝（河北联合大学材料科学与工程学院河北唐山 063009）摘要：铁电材料具有良好的铁电性、压电性、热释电以及性光学等特性以及原理，铁电材料是具有驱动和传感2 种功能的机敏材料, 可以块材、膜材(薄膜和厚膜) 和复合材料等多种形式应用, 在微电子机械和智能材料与结构系统中具有广阔的潜在应用市场。
关键词：铁电材料；铁电性；应用前景C haracteristics and Application of FerroelectricmaterialSun Jingzhi( Materials Science and Engineering college, Hebei United University Tangshan 063009,China )Abstract:Ferroelectric material has good iron electrical, piezoelectric , pyroelectric and nonlinear optical properties, such as a driver and sensing two function piezoelectric materials, can block material, membrane materials (film and thick film) and the compound Material of a variety of forms such as application, in microelectromechanical and intelligent materials and structures in the system with vast potential application market.Keywords: ferroelect ric materials Iron electrical development trend0前言晶体按几何外形的有限对称图象, 可以分为32 种点群, 其中有10 种点群: 1, 2, m , mm 2, 4,4mm , 3, 3m , 6, 6mm , 它们都有自发极化。
功能材料试题及参考答案
功能材料试题及参考答案功能材料试题及参考答案 篇⼀：功能材料试题参考答案 ⼀、名词解释（共24分，每个3分） 居⾥温度：铁电体失去⾃发极化使电畴结构消失的最低温度（或晶体由顺电相到铁电相的转变温度）。
铁电畴：铁电晶体中许许多多晶胞组成的具有相同⾃发极化⽅向的⼩区域称为铁电畴。
电致伸缩：在电场作⽤下，陶瓷外形上的伸缩（或应变）叫电致伸缩。
介质损耗：陶瓷介质在电导和极化过程中有能量消耗，⼀部分电场能转变成热能。
单位时间内消耗的电能叫介质损耗。
n型半导体：主要由电⼦导电的半导体材料叫n型半导体。
电导率：电导率是指⾯积为1cm2，厚度为1cm的试样所具有的电导（或电阻率的倒数或它是表征材料导电能⼒⼤⼩的特征参数）。
压敏电压：⼀般取I=1mA时所对应的电压作为I随V陡峭上升的电压⼤⼩的标志称压敏电压。
施主受主相互补偿：在同时有施主和受主杂质存在的半导体中，两种杂质要相互补偿，施主提供电⼦的能⼒和受主提供空状态的能⼒因相互抵消⽽减弱。
⼆、简答（共42分，每⼩题6分） 1.化学镀镍的原理是什么？ 答：化学镀镍是利⽤镍盐溶液在强还原剂（次磷酸盐）的作⽤下，在具有催化性质的瓷件表⾯上，使镍离⼦还原成⾦属、次磷酸盐分解出磷，获得沉积在瓷件表⾯的镍磷合⾦层。
由于镍磷合⾦具有催化活性，能构成催化⾃镀，使得镀镍反应得以不断进⾏。
2.⼲压成型所⽤的粉料为什么要造粒？造粒有哪⼏种⽅式？各有什么特点？ 答：为了烧结和固相反应的进⾏，⼲压成型所⽤粉料颗粒越细越好，但是粉料越细流动性越差；同时⽐表⾯积增⼤，粉料占的体积也⼤。
⼲压成型时就不能均匀地填充模型的每⼀个⾓落常造成空洞、边⾓不致密、层裂、弹性后效等问题。
为了解决以上问题常采⽤造粒的⽅法。
造粒⽅式有两种⽅式：加压造粒法和喷雾⼲燥法。
加压造粒法的特点是造出的颗粒体积密度⼤、机械强度⾼、能满⾜⼤型和异型制品的成型要求。
但是这种⽅法⽣产效率低、⾃动化程度不⾼。
喷雾⼲燥法可得到流动性好的球状团粒，产量⼤、可连续⽣产，适合于⾃动化成型⼯艺。
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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。
换能应用
从反铁电到铁电的相变可以由于温度变化、提 高电场或改变压力形式而发生。材料在相变过 程中会发生体积变化。从立方顺电相或反铁电 相向铁电相转变，都伴随着体积的增加。这样， 利用电场强迫反铁电到铁电的相变，就会因晶 胞几何体积的变化把电能转换为机械能。
反铁电陶瓷
目前的研究
目前实际应用的反铁电材料主要是改性的 PbZrO3陶瓷。对PbZrO3进行改性掺杂，会使它 的反铁电-铁电相变点降低，甚至可以降到室 温以下；或者一个极化电场，使它变成亚稳的 铁电相。
集成铁电体的研究
1.
2.
铁电薄膜与半导体的集成称为集成铁电体，近年来广泛开 展了此类材料的研究。铁电存贮器的基本形式是铁电随机 存取存贮器。早期以为主要研究对象，直至年实现了的商 业化。与五六十年代相比，当前的材料和技术解决了几个 重要问题。一是采用薄膜，极化反转电压易于降低，可以 和标准的硅或电路集成；二是在提高电滞回线矩形度的同 时，在电路设计上采取措施，防止误写误读；三是疲劳特 性大有改善，已制出反转次数达5*1012次仍不显示任何疲 劳的铁电薄膜。 在存贮器上的重大应用己逐渐在铁电薄膜上实现。与此同 时，铁电薄膜的应用也不局限于铁电随机存贮器，还有铁 电场效应晶体管、铁电动态随机存取存贮器等。除存贮器 外，集成铁电体还可用于红外探测与成像器件，超声与声 表面波器件以及光电子器件等。
铁电体的性质
铁电 性
铁电 体 介电 性 压电 性
铁电性：在一些电介质晶体中，晶胞的结构使正负 电荷重心不重合而出现电偶极矩，产生不等于零的 电极化强度，使晶体具有自发极化，晶体的这种性 质叫铁电性。 介电性：将某一均匀的电介质作为电容器的介质而 置于其两极之间，则由于电介质的极化，将使电容 器的电容量比真空为介质时的电容量增加若干倍的 性质。 压电性：某些介质的单晶体，当受到定向压力或张 力的作用时，能使晶体垂直于应力的两侧表面上分 别带有等量的相反电荷的性质。
铁电液晶和铁电聚合物的基础和应用研究
1.
2.
1975年MEYER发现，由手性分子组成的倾斜的层状c 相液晶具有铁电性。在性能方面，铁电液晶在电光显 示和非线性光学方面很有吸引力。电光显示基于极化 反转，其响应速 度比普通丝状液晶快几个数量级。非 线性光学方面，其二次谐波发生效率已不低于常用的 无机非线性光学晶体。 聚合物的铁电性在70年代末期得到确证。虽然PVDF 的热电性和压电性早已被发现，但直到70年代末才得 到论证，并且人们发现了一些新的铁电聚合物。聚合 物组分繁多，结构多样化，预期从中可发掘出更多的 铁电体，从而扩展铁电体物理学的研究领域，并开发 新的应用。
A.
关于双电滞回线
反铁电体在转变温度以下，邻近的 晶胞彼此沿反平行方向自发极化。 反铁电体一般宏观无剩余极化强度， 但在很强的外电场作用下，可以诱 导成铁电相，其P-E呈双电滞回线。 其在E较小时，无电滞回线，当E很 大时，出现了双电滞回线。
反铁电相变
在顺电-铁电相变中，各晶胞中出现了电偶极 矩，铁电相晶胞与顺电相晶胞比较，只是发生 了微小的畸变。在顺电-反铁电相变中，顺电 相的相邻晶胞出现了方向相反的偶极矩，显然 这样的“晶胞”已不能作为反铁电相的结构重 复单元。反铁电相晶胞的体积因而是顺电相晶 胞的倍数。晶胞体积倍增是反铁电相变的特征 之一。反铁电相变可认为是顺电相相邻晶胞出 现反向极化的结果，于是反铁电相点群可由顺 电相点群与反向极化的叠加而得出。
铁电体的效应
光电效 应
光折变 效应
铁电 体
声电效 应
热释电 效应
光电效应：物质由于吸收光子而产生电的现象。 声电效应：通过在半导体中传播的声波的作用 而产生电动势的一种现象。 热释电效应：由于温度的变化引起极化状态改 变的现象。 光折变效应：在光场的作用下使材料中的折射 率发生了可逆的变化的现象。
反铁电换能器存在的问题
1.
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反铁电换能器的相变滞后要消耗很大能量， 损耗较大，目前效率最高只能达到40%左右 （压电换能器可达90%）； 使用反铁电换能器必须外加一个很高的直流 偏压（相当于相变电场）； 由于内耗大，工作中发热大，不大可能进行 连续操作，只能作脉冲式的工作，工作频率 太高也不行（超声的频率就已经不大适应 了），所以只能在低频、低工作循环时使用。
THANK YOU！！！
铁电体的特性：
极化强度P和电场强度E有复杂的非线性关 系，εr不是常量，它随E变，最大可达几千； B. 有电滞现象，在周期性变化的电场作用下， 出现电滞回线，有剩余极化强度； C. 当温度超过某一温度时，铁电性消失，这 一温度叫做居里（Pierre Curie）温度； D. 铁电体内存在自发极化小区，把这种小区 叫做电畴。 正是因为存在电畴，铁电体才具有以上这些 独特的性质。
反铁电体的定义：
反铁电体： 反铁电体：在一定温度范围内 相邻离子联线上的偶极子呈反 平行排列，宏观上自发极化强 度为零，无电滞回线的材料， 称为反铁电体。
典型的铁电材料
铁电材料概括起来可以分为两大类： a.一类以磷酸二氢钾 KH2PO4 --简称KDP--为代表， 具有氢键，他们从顺电相过渡到铁电像是无序 到有序的相变； b.另一类则以钛酸钡为代表，从顺电相到铁电相 的过渡是由于其中两个子晶格发生相对位移。
铁电与反铁电的比较
性质 2. 铁电体的研究进展 3. 反铁电体的研究进展 4. 反铁电陶瓷
1. 铁电体和反铁电体的基本
铁电体的定义： 铁电体：某些晶体在一定的温度 范围内具有自发极化，而且其自 发极化方向可以因外电场方向的 反向而反向，晶体的这种性质称 为铁电性 铁电性，具有铁电性的晶体称 铁电性 为铁电体 铁电体
铁电体的研究进展
第一性原理的计算
现代能带结构方法和高速计算机的反展使得 对铁电性起因的研究变为可能。通过第一性原 理的计算，对BaTiO3、PbTiO3、KNbO3和LiTaO3 等铁电体，得出了电子密度分布，软模位移和 自发极化等重要结果，对阐明铁电性的微观机 制有重要作用。
尺寸效应的研究
随着铁电薄膜和铁电超微粉的发展，铁电尺寸 效应成为一个迫切需要研究的实际问题。近年 来，人们从理论上预言了自发极化、相变温度 和介电极化率等随尺寸变化的规律，并计算了 典型铁电体的铁电临界尺寸。这些结果不但对 集成铁电器件和精细复合材料的设计有指导作 用，而且是铁电理论在有限尺寸条件下的发展。
铁电体各种性质的应用
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铁电性: 铁电场效应晶体管FFET 介电性:大容量电容\可调谐微波器件 压电性:压电传感器\换能器\马达 电光效应:光开关\光波导\光显示器件 声光效应:声光偏转器 光折变效应:光调制器件\光信息存储器件 热释电效应:非致冷红外焦平面阵列
换能应用
传统的压电体的能量转换是线性的，而且是可逆的。 但是，由于介电损耗及机械损耗的原因，它只能在低 负荷循环下工作，而可转换 的能量密度约为0.05焦耳 /厘米3。利用电场强迫反铁电相变，转变为铁电体， 使它放出机械能；或者施加压应力强迫铁电体转变为 反铁电体，使放出电能。这种方法产生的机电能量转 换的能量密度可超过1焦耳/厘米3。强迫相转变换能 实际是使铁电陶瓷内部大量的电畴发生再取向，因而 有更大的能量密度。但这时全部或大部分极化状态受 到破坏，能量转换过程是非线性的。由于伴随着有电 滞回线现象，因而重复率及负荷循环必须低。施加偏 压可以使相转变成为可逆的。