1-5 电子功能与元器件电子功能材料

1-5-1 介电、压电、铁电陶瓷
石 英 晶 体 的 压 电 效 应
图1 石英晶体结晶轴向示意图
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图2 石英晶体结构示意图（左旋石英）
X轴为二度旋转对称轴，又称为电轴或极化 在正常情况下，石英的硅离子和氧离子配备在 轴，沿 X 轴方向的压电效应最显著， Y 轴又 六棱柱的晶格上，硅离子按螺旋线排列，螺旋 称机械轴，沿Y轴方向具有横向压电效应。 线的螺旋方向表明是右旋石英还是左旋石英， Z轴是三度旋转对称轴，又称光轴，在这个 上图示出的是左旋石英，硅离子2的位置比硅 方向上没有压电效应。在实际应用中，以X 离子1要深入，而硅离子3的位置比硅离子2要 轴方向作为压电晶片的厚度方向切割石英，深入（这里指从书本纸面向内以左旋方式进 简称X切石英。同理，还有Y切石英。 入）。
产生热释电效应的条件： 1.具有自发极化的晶体。 2.晶体结构的极轴与结晶学的单向重合的晶体。 在32种宏观对称类型中，有10中可以具有热释电效 应，对称类型符号： 1、2、m、2mm、3、3mm、4、4mm、6、6mm。
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电介质材料之间的关系
电介质材料
压电材料：石英
（20非对称中心材料）
热释电材料：电气石（10种 对称性的材料 ） 铁电材料：KDP
E 介质中的有效场强(外电场＋极化电荷电场)
e电极化率（介质性质，与场无关）
P 0e E, e r 1
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D P 0E
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4）电位移矢量（D）与有效电场(E)和极化强度（P）有 关
又因P 0 e E 得P 0 ( r 1) E
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石英晶体在电子学上的应用
军用和航天应用 工业应用 民用
通讯 导航 敌我识别系统 雷达 传感器 制导系统 引信 电子战 声纳浮标 研究和工艺 原子钟 仪器
空间跟踪 天体导航
通讯 电视通讯 轻便式、分区式、手提式 无线电设备和电话 航空与航海 导航 仪器 计算机 数字系统 阴极射线显示器 软盘 调制解调器 天文学和大地测量标签/标志 公用事业 传感器
r 15
黏土基陶瓷 滑石陶瓷 刚玉陶瓷 氧化铍 氮化铝
r为15-500
TiO2
r为2000-20000
BaTiO3
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二、压电陶瓷
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压电效应： 当对某些晶体在某些特定方向上加力时，在施力方向 的垂直平面上出现正、负束缚电荷，电荷密度大小与 所加应力大小成线性关系，这种由机械效应转换为电 效应的过程称为正压电效应。 逆压电效应： 当某些晶体在外电场激励下，会使晶体在某些方向 上产生形变（或谐振）现象，且二者之间亦存在线 性关系，这种由电效应转换为机械效应的过程称为 逆压电效应。
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四角相BaTiO3的结构
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铁电体的相变
居里温度：铁电-顺电
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铁电体的存在是有一定温度范围的，通常存在一临界温度，在临界温度附件， 铁电体的相结构发生变化，铁电体的临界温度又称居里温度或居里点（Tc）。 高于Tc温度时，晶体发生结构变化，自发极化消失，没有铁电性。此时，晶 体属非极性结构，称为顺电结构。
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对于Y切石英，其 横向压电效应表 现为沿Y轴方向施 加压力（压应力 或者张应力）使 得改变硅离子与 氧离子相对位置 图4 Y切石英的横向压电效应 时，在X轴方向 的两个极板上出现等值异号电荷堆积（图4）。在逆效应 时，石英晶体受外加电场作用，使离子发生极化，晶胞 中的离子因极化电荷的同性相斥、异性相吸而产生相对 位移，使得晶胞内部产生内应力（压电力），最终引起 宏观应变的发生。
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石 英 晶 体 的 压 电 效 应
石英晶体是目前使用最多的压电材料
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X切石英纵向压电 效应表现如图 3 所 示。当沿X方向施加 应力（压应力或者张 应力）时，石英晶体 中带正电荷的硅离子 与带负电荷的氧离子 间相对位置发生变化， 破坏了如图2 所示的 图3 X切石英的纵向压电效应 分子间原先的平衡， 在晶体内产生电场，于是在垂直于X轴的两极板表面产生等值的异 号电荷堆积（注意是束缚电荷），亦即产生了压电效应。相反， 若在垂直于Ｘ轴的两极板表面施加电场时，电场的作用使离子极 化，而极化电荷因同性相斥，异性相吸导致离子发生相对位移， 使晶体在X轴方向上的厚度发生变化，其表现与正压电效应的情况 相反，亦即产生了逆压电效应。
一、介电陶瓷
1.分子的电结构 每个分子
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带负电的电子（束缚电子） 带正电的原子核
一般分子内正负电荷 不集中在同一点上
所有负电荷负重心 所有正电荷正重心
重心不重合 两类电介质： 重心重合
p
有极分子
p 0 无极分子
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无极分子电介质：（氢、甲烷、石蜡等） 有极分子电介质：（水、有机玻璃等）
:电偶极矩 :电极化强度 P 2 的单位： Cm P
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2）介电常数 介电常数 0 r 表征材料极化并储存电荷的能力， 它是平板电容器中的重要参数。 A C d 为介电常数，A为平板面积，d C为平板电容器的电容， r 为相对介电常数。 平板间距。 0 为真空介电常数， 3）电极化强度不仅和外加电场有关，而且还和极化电 荷所产生的电场有关。
E外
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2.离子位移极化 离子晶体在电场作用下离子间的键合被拉长。
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3.取向极化 无外电场：固有电偶 极矩热运动，混乱分 布，介质不带电。 加外电场：外场取 向与热混乱运动达 到平衡。
极化时间需要
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+
+
+
+
+ +
+
+ + + +
压电陶瓷材料 PZT
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三、铁电陶瓷
铁电材料 （1）在热释电晶 体中，有些晶体在 某些温度范围内具 有自发极化， （2）其自发极化 强度可以因外电场 的作用而重新取向， 极化强度与电场的 关系曲线-电滞回
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电滞回线-电畴
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铁电体并不是在一 个方向上单一地产生自 发极化，而是在许多小 区域内自发极化并具有 不同的极化方向 。每一 极化方向相同的小区域 称为铁电畴 ，而畴与畴 之间的界壁称为畴壁。 铁电体在相当的电 场作用下，可以使一多 畴铁电体变为单畴电体 或者可以使一单畴铁电 体的自发极化反向 ，称 为畴的反转。
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例：由热运动引起的自发极化
自发极化主要是由晶体中某些离子偏离了平衡位置，使单位晶胞 中出现了偶极矩，偶极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，同时晶体结构发生了畸变。 BaTiO3：钙钛矿型结构 立方晶系（大于120 oC） ： 晶胞常数：a = 4.01A 氧离子的半径：1.32A 钛离子的半径： 0.64 钛离子处于氧八面体中，
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就正压电效应来 说，晶体受力后在某 些特定表面上产生束 缚电荷，但直接作用 是力使晶体变形，改 变了原来的相对位置， 产生束缚电荷表明出 现了净电偶极距。 在 32 种宏观对称 类型中，不具有对称 中心的有21种，其中 有一种（点群43）压 电常数为零，其余20 种都具有压电效应。
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几个概念：
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饱和极化强度
剩余极化强度 矫顽电场强度
铁电体的主要特征：它的极化强度P表现为电场E的双值函数。
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实验表明，从非铁电相到铁电相的过渡总 伴随着晶格结构的改变，并且晶体的对称 性总是降低了(对称性破缺）。铁电现象可 能同离子偏离于平衡点的位移有关．由于 离子偏离平衡点，晶体中出现了偶极矩。 而偶极矩间的互作用使得离子过渡到新的 平衡位置因而结构发生了变化并产生固定 值的极化强度．
D 0 r E (1 e ) E E
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3.极化的类型 1.电子位移极化
无外电场：正负电荷重心重合，介质不带电
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加外电场：
f
p

E外
f
产生感生电偶极矩 主要是电子（云）移动
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
陶瓷的简介及分类
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陶瓷的简介及分类
结构陶瓷：以力学性能为基础， 精细陶瓷
以制造受力构件所用材料
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功能陶瓷 介电、压电、铁电….
功能陶瓷是指那些利用电、磁、声、光、
热、力等直接效应及其耦合效应所提供的一种 或多种性质来实现某种使用功能的先进陶瓷 (现代陶瓷)。
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手表和钟 无线电话 家用电话 无线电设备和高频设备 彩电 便携电视系统 家用计算机 VCR和电视摄象机 业余无线电台 玩具和游戏机 起搏器 其他医用设备 自动化 引擎控制，收音机，钟 Trip 计算机，GPS
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热释电效应
由于温度作用而使自发极化发生，这就 是晶体的热释电性或热释电效应。
• 达到静电平衡时，电介质内部的场强不为零。
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2.介电陶瓷的基本性质
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1） 极化 电介质在外电场作用下，其正负电荷不再重合， 而是发生分离，即产生了极化现象，形成了电偶极子。
电偶极矩:
q
P
V
q：所含电量 ：正、负电荷中心间距
电极化强度:
+ + + +
+ + + +
+
+ E外
+ +
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4.空间电荷极化
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在多晶或存在缺陷的晶 态电介质中,在晶界处或 缺陷处会存在空间电荷.
无外电场：混乱分布 加外电场：有序化
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4.介电材料的应用
低介电常数 中介电常数 高介电常数
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石 英 晶 体 的 压 电 效 应
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石 英 晶 体 的 压 电 效 应
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石 英 晶 体 的 压 电 效 应
晶体在Y轴方向受力Fy作用下的情况与Fx相似。
当Fy＞0时，晶体的变形与Fx ＞0的情况相似；
当Fy＜0时,晶体的变形与Fx ＜ 0的情况相似.
晶体在y方向的力Fy作用下，在x方向产生压电效应， 在y,z方向同样不产生压电效应，称为横向压电效应
源自文库
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两种电介质放入外电场， 产生极化并存在电场。
电 极 化
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• 1 定义：
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• 所谓电介质，除导体外的所有物质。内部没有可以移动的 电荷,具有高电阻率的电介质——绝缘体。
• 若把电介质放入静电场中，电介质原子中的电子和原子核 在电场力的作用下，在原子范围内作微观的相对位移。
• •

两个氧离子间的空隙为：4.01－2× 1.32= 1.37
钛离子的直径：2× 0.64= 1.28
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°
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°
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钙钛矿降温过程中结构畸变，对称性下 降：如果在一个轴向发生畸变（如 c 轴 伸长或缩短） 四方晶系
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BaTiO3极化的微观机制：
位移机制
BaTiO3在高于居里温度时为立方晶相，晶格中氧八面体空隙 比钛离子大，钛离子可振动，就有向氧的六个方向位移的可 能， Ti4+处在各方向几率相同。 在120º C以上，钛离子的热运动能较大，钛离子向六个氧移动 的几率相同。（稳定地偏向某一个氧离子的几率为零），对 称性高，顺电相。 在120º C以下， Ti4+半径小，电价高。由于热涨落，偏向一方 氧离子，热运动不足以克服氧离子的静电力，钛-氧相对位移 所形成形成强局部内电场，即偶极矩。按氧八面体三维方向 相互传递，耦合，形成自发极化的小区域。这种极化波及相 邻的晶格，即形成“电畴”。 由于高温立方相具有三个等价的对称轴，那么在三个轴方向 都有可能形成电偶极
电子功能陶瓷要
1-5-1 介电、压电、铁电陶瓷 一、介电陶瓷 二、压电陶瓷 三、铁电陶瓷 1-5-2 半导体陶瓷 一、半导体陶瓷的电导 二、典型的半导体陶瓷
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陶瓷的简介及分类 陶瓷
传统陶瓷
陶器，砖，水泥 主要成分是硅酸 盐
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精细陶瓷
所具有的优良性 能不因加工而损 害的精致形状的 材料 主要成分是Al2O3