铁电体(BaTiO3)极化特性解释-中国科学技术大学(精)
铁电氧化物
铁电氧化物
铁电氧化物是一种有着特殊电学性质的材料，其具有极化效应，
也就是在外电场的作用下，其分子会产生极性偏移。
铁电氧化物的晶
格结构是一种具有对称性的排列方式，其排列方式可以通过某种物理
或化学方法改变而导致极化效应的出现。
铁电氧化物的种类很多，常见的有BaTiO3、PZT和LiNbO3等，其
中BaTiO3是最为常见的一种，也是最为典型的一种。
BaTiO3是一种具有钙钛矿结构的铁电氧化物，其化学式为BaTiO3。
它具有优异的电极
化性能和较高的垂直电场感应，因此被广泛应用于无线电、电子和光
学等领域。
铁电氧化物的应用十分广泛，主要用于电子、光电和机械等领域。
具体包括以下方面：
1、电子材料方面：铁电氧化物作为电容器材料使用。
特别是低温
共存性质较好的PZT材料，可以制成非常高的电容器。
2、光学材料方面：铁电氧化物可以被作为制备非线性光学晶体的
基础材料，这些晶体广泛用于制备激光器、调频器、频率加倍器和光
学遥感等装置。
3、机械材料方面：由于铁电氧化物具有压电效应，因此可以用于
声波发生器和传感器等机械设备。
4、储能材料方面：铁电氧化物可以被制成电池材料，由于其体积
密度较大，容量较高，因此具有较为优异的储电性能。
5、其他应用：铁电氧化物也可以被应用于人体内部医学应用设备，如锂镁铁电声表面波元件（LMFS）在医学领域得到广泛应用。
铁电氧化物尽管在不同领域应用非常广泛，但是其在超导、半导
体和磁学等领域的应用尚处于研究阶段。
未来，随着材料科学的不断
发展和突破，铁电氧化物的应用前景也将会更加广阔。
钛酸钡铁电畴
钛酸钡铁电畴钛酸钡铁电畴是一种具有铁电性质的材料。
它是由钛酸钡（BaTiO3）组成的，钛酸钡是一种钛酸盐，具有较高的钙钛矿结构稳定性。
钛酸钡铁电畴的研究在材料科学领域具有重要的意义，因为它的铁电性质可以在许多应用中发挥作用。
钛酸钡铁电畴的铁电性质是指在外电场的作用下，它的极化方向可以发生可逆的改变。
这种可逆的极化转变使得钛酸钡铁电畴在电子设备中具有广泛的应用。
例如，钛酸钡铁电畴可以用于制造电容器，用于存储电荷。
它还可以用于制造传感器和压电装置，因为它的极化方向可以对应应变的变化。
钛酸钡铁电畴的研究不仅涉及到材料的制备和性质表征，还涉及到理论模拟和应用开发。
首先，制备钛酸钡铁电畴需要控制合成条件，以确保所得到的材料具有理想的结构和性能。
其次，对钛酸钡铁电畴进行性质表征是非常重要的，可以通过X射线衍射、扫描电子显微镜和拉曼光谱等技术来研究其晶体结构、形貌和振动特性。
此外，理论模拟在研究钛酸钡铁电畴的行为和性质方面发挥着关键作用。
通过模拟计算，可以揭示钛酸钡铁电畴的原子尺度结构和电子结构，从而理解其铁电性质的来源。
模拟还可以预测钛酸钡铁电畴在不同条件下的性能，为材料设计和优化提供指导。
在应用方面，钛酸钡铁电畴具有广泛的潜在应用。
除了前面提到的电子设备和传感器，钛酸钡铁电畴还可以用于制备非易失性存储器和铁电存储器。
此外，它还可以应用于能量转换和电荷调控器件，如电池和电容器。
钛酸钡铁电畴的研究将为这些应用的开发提供基础。
总之，钛酸钡铁电畴是一种具有铁电性质的材料，具有广泛的应用潜力。
通过对其制备、性质表征、理论模拟和应用开发的研究，我们可以更好地理解和利用钛酸钡铁电畴的特性，为材料科学和电子工程领域的发展做出贡献。
batio3介电常数
batio3介电常数
【原创实用版】
目录
1.介绍 batio3
2.解释介电常数
3.详述 batio3 的介电常数特性
4.探讨 batio3 在电子领域的应用
5.总结 batio3 的重要性
正文
1.介绍 batio3
Batio3，化学式为 BaTiO3，是一种具有优良介电性能的陶瓷材料。
它是钡、钛和氧三种元素组成的复合氧化物，因其具有较高的介电常数和较低的介电损耗，被广泛应用于电子元器件、通信设备等领域。
2.解释介电常数
介电常数，又称电容率，是一种衡量材料储存电荷能力的物理量。
它是材料在电场作用下极化程度的度量，用符号ε表示。
介电常数的大小与材料的极化程度紧密相关，极化程度越高，介电常数越大。
3.详述 batio3 的介电常数特性
Batio3 具有较高的介电常数，其介电常数通常在 1000-2000 之间，远高于常见的绝缘材料如空气和硅。
这意味着 batio3 能够储存更多的电荷，具有更好的电绝缘性能。
此外，batio3 的介电损耗较低，可以有效
降低信号传输过程中的损耗，提高通信设备的性能。
4.探讨 batio3 在电子领域的应用
由于 batio3 具有优良的介电性能，使其在电子领域具有广泛的应用。
例如，在电容器、陶瓷电容、微波介质等领域均可见到 batio3 的身影。
此外，batio3 还可应用于压电陶瓷、光电子器件等领域，发挥其介电性能的优势。
5.总结 batio3 的重要性
综上所述，batio3 作为一种具有高介电常数和低介电损耗的陶瓷材料，在电子领域具有重要意义。
功能陶瓷之二
之 铁 电 陶 瓷
学 院：材料科学与工程 授 课 人：王东斌
铁 电 陶 瓷
☆ 铁电体
介电晶体在某温度范围内可以自发极化（ 介电晶体在某温度范围内可以自发极化（介电常数很 高），而且极化强度可以随外电场反向而反向。同铁磁体具 而且极化强度可以随外电场反向而反向。 有磁滞回线一样，把具有电滞回线的晶体称为铁电体。 有磁滞回线一样，把具有电滞回线的晶体称为铁电体。 虽然叫铁电体，但这些晶体并不含有铁。 虽然叫铁电体，但这些晶体并不含有铁。
90° 90°
180° 180°
压电陶瓷为多晶体
☆ 居里点
铁电体的自发极化在一定温度范围内呈现， 铁电体的自发极化在一定温度范围内呈现，当温度高于某 一临界温度Tc时 自发极化小时（ ），铁电晶体从铁电相 一临界温度Tc时，自发极化小时（P＝0），铁电晶体从铁电相 Tc 转变为非铁电相（又称顺电相），这一临界温度称为居里温度 转变为非铁电相（又称顺电相），这一临界温度称为居里温度 ）， （居里点）。 居里点）。
这是由于畴壁的运动， 这是由于畴壁的运动，即新畴的成核和成长需要时间
（6）当频率升高时，由于反转运动更频繁，使tanδ增大 当频率升高时，由于反转运动更频繁， tanδ增大
BaTiO3陶瓷介电特性与温度的关系
BaTiO3陶瓷介电特性与频率的关系
★ BaTiO3陶瓷改性
（1）置换改性
当添加元素的电价与Ti 相等，半径与其相近时， 当添加元素的电价与Ti4＋或Ba2＋相等，半径与其相近时， 离子能大量溶入BaTiO 形成置换固溶体，这叫置换改性。 离子能大量溶入BaTiO3中，形成置换固溶体，这叫置换改性。 常置换Ba 的有：Ca、Sr、Pb等 置换Ti 的有Zr Zr等 常置换Ba2＋的有：Ca、Sr、Pb等；置换Ti4＋的有Zr等。
铁电材料BaTiO3的制备及其压电、光伏特性研究
铁电材料BaTiO3的制备及其压电、光伏特性研究综合实验课题：铁电材料BaTiO3的制备及其压电、光伏特性学号姓名专业指导老师一、文献综述1.背景:铁电材料是指具有自发极化，而且在外加电场下，自发极化发生转向的电介质材料，它是热释电材料的一个分支。
铁电材料由于其铁电性、介电性、压电性、热释电效应、热电效应、电光性质等特性，而广泛应用于各个领域（见下表1），如在通讯系统、微电子学、光电子学、集成光学和非机械学等领域有着重要的或潜在的应用,从而引起国内外学者的广泛研究。
表1.铁电薄膜材料的应用铁电薄膜材料根据成分可分为三大类，包括铌酸盐系、钛酸盐系、锆酸盐系，其中典型铁电材料有:钛酸钡(BaTiO3)、磷酸二氢钾(KH2PO4)等，然而BaTiO3 是一种强介电化合物材料，它具有很高的介电常数和较低的介电损耗，是电子陶瓷中使用最广泛的材料之一，它被称作“电子陶瓷工业的支柱”。
同时该材料是最早研究的钙钛矿结构的铁电材料，因此通过对该材料的学习、制备和性能的检测，对铁电材料领域的相关知识的了解有着重要的意义。
前人们对钛酸钡的制备和性能有着很多的研究，目前对钛酸钡材料的研究已经往微型化发展，制备成铁电薄膜材料，同时研究不同的制备方法、元素掺杂等对钛酸钡薄膜材料性能的影响，在这基础上，研究外界条件（外加磁场等）对铁电薄膜材料的物理调控，渐渐的利用其性质应用于器件中（光伏器件、电容器等）。
2.制备方法与结构性质:结构性质：电介质材料按其晶体对称性可分为32 种点群，在这32 种晶体学点群中，有21 种不具有对称中心，其中20 种呈现压电效应。
而这20 种压电性晶体中的10 种具有受热而自发极化现象，因其是受热而引起电极化状态的改变，故这10 种晶体又称为热释电晶体。
热释电效应只发生在非中心对称并具有极性的晶体中。
铁电体即使在没有外界电场作用下，内部也会出现极化，这种极化称为自发极化。
自发极化的出现是与这一类材料的晶体结构有关的。
铁电性材料物理性能
铁电体
B.铁电体的自发极化的机制 其自发极化的出现主要是晶体中原子（离子）位置变化的结果。 例1：由位移引起的自发极化
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。
钛酸钡的结构：钙钛矿型结构
居里点附近居里外斯定律为
r
T
C 0
忽略ε∞
三、铁电体的铁电性
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
（一）铁电性几个重要特征
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。
1、铁电畴
1）铁电畴的形成 铁电体自发极化的方向不相同，但在一个小区域内，各晶胞的自发极
自发极化过程： ➢氧八面体空腔体积大于钛离子体积，给钛离子位移的余地。 ➢较高温度时，热振动能比较大，钛离子难于在偏离中心的某一个位置上 固定下来，接近六个氧离子的几率相等，晶体保持高的对称性，自发极 化为零。
➢温度降低到120℃，低于距 离温度，钛离子平均热振动 能降低，因热涨落，热振动 能特别低的离子占很大比例， 其能量不足以克服氧离子电 场作用，有可能向某一个氧 离子靠近，在新平衡位置上 固定下来，并使这一氧离子 出现强烈极化，发生自发极 化，使晶体顺着这个方向延 长，晶胞发生轻微畸变，由 立方变为四方晶体。
Ba2+ Ti4+
O-
• • °
• •
•
• • • • °
极化前晶体结构： 等轴晶系（大于120oC） ：
晶胞常数： 氧离子的半径： 钛离子的半径： 钛离子处于氧八面体中， 两个氧离子间的空隙为：－ 钛离子的直径：
BaTiO3 铁电体陶瓷
的电价， N一正离子的配位数； Z- ＝
i
k
Z
N
，
Z-一负离子的电价， k一与该负离子相关联的静电键 数目， i一与某个负离子相邻的第i个正离子。
§ 1.2 鲍林规则
这就是说，正离子将其电价平均分配给与它相邻的负离 子，同理，负离子也将其电价平均分配给它相邻的正离
电子陶瓷材料
绪
论
现代陶瓷分为结构陶瓷和功能陶瓷两大 类，是航天、新能源、新材料、微电子、 激光、海洋工程和生物工程等高新技术的 重要组成部分和不可缺少的物质基础，也 是当前高技术竞争的热点之一。
功能陶瓷是利用其特有的 电、磁、声、光、热、弹等 直接效应及其耦合效应所提 供的一种或多种性质来实现 特定的使用功能。
2.不等径球的密堆积
金属氧化物中，氧的电负性为χo=3.5，金属
的电负性χm=0.7~0.8,因此离子键成份很大。
氧离子半径1.4Å，一般金属离子半径0.7 Å左
右，远比O2-离子小，因此在形成晶体时，为
使自由能最低，往往由半径较大的O2-离子作
紧密堆积，金属离子堆充在氧密堆积形成的
空隙中.
下面讨论氧离子形成的各种空隙及这些空隙所能填充 的正离子的大小。
电子陶瓷——无机多晶体
微观结构上，陶瓷是介乎单 晶与玻璃之间的一类物质
●电子陶瓷的主要化学结合力： 离子键及共价键 ●化学组成主要有： 碳、氧化物、氮化物、碳化物以及硼 化物等
●电子陶瓷晶相的晶体结构：
•单质材料主要有石墨和金刚石结构； •AB型化合物主要有NaCl（岩盐）型结构、立方ZnS（闪锌 矿）型结构、六方ZnS（纤维锌矿）型结构等； •AB2型化合物主要有CaF2（萤石）型结构、TiO2（金红石） 型结构等； •A2B3型化合物则以α-Al2O3（刚玉）型结构为代表； •ABO3型化合物主要有CaTiO3（钙钛矿）型结构、FeTiO3 （钛铁矿）型结构及CaCO3（方解石）型结构； •AB2O4型化合物最重要的结构是尖晶石结构，典型材料包
BaTiO3PPT精选文档
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2、除铁
制备粉料时往往混入铁质，常采用电 磁除铁器除去其中的铁质。电磁除铁 器有干式和湿式。
3、过滤
一般采用压滤的方法除去湿法细磨 浆料中的水。
困料
困料是为使压滤出来的泥饼水分分 布均匀，常把泥饼放在避光、空气 不流通的室内或密闭容器内，保持 10一20天。
练泥
经过压滤、困料的坯料组织疏松、不均匀，含有大量的气 泡，可塑性降低，挤压成型性差。采用练泥的方法可除去 坯料中的气泡，提高其均匀性和致密度。
5
钛酸钡材料的特点
BaTiO3的很高。a轴方向与c轴方向的巨大差异表明：在 电场作用下， BaTiO3中的离子沿a轴方向具有更大的可动 性。
相变温度附近， 均具有峰值，在TC下的最高。说明相 变温度附近，离子具有较大可动性，在电场作用下易于 使晶体中的电畴沿电场方向取向。
与相变的热滞现象相对应， 随温度变化时也存在热滞现 象，在四方 斜方相变温度及斜方 菱形相变温度附 近表现得很明显。
0.10
Temperature / 0C
104 0.12
Qi Jianquan, Chen Wanping, Zhang Zhongtai and Tang Zilong, Acceptor compensation in (Sb,Y)-doped semiconducting Ba 1-x SrxTiO3, 2J0. Mater. Sci., Vol.32, p713-717, 1997
压峰效应
压峰效应是为了降低居里点处的介电常数的峰值，即 降低ε-T非线性，也使工作状态相应于ε-T平缓区。 例如在BaTiO3中掺入CaTiO3可使居里峰值下降。 常用的压峰剂（或称展宽剂）为非铁电体。如在 BaTiO3掺入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。
铁电体
PS=？ C
a
a-b平面上偶极子 反平行排列
b
PS=？ C
温度诱导PbZrO3铁电-反铁电相变
a 升温
PbZrO3晶体的介电常数和热容
电场诱导PbZrO3铁电-反铁电相变
电介质储能机理
电介质、压电体、热释电体和铁电体
钙钛矿(ABO3) 型铁电体是为数最多的一类铁电体
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
自发极化的测量：Sawyer-Tower 电路
• 位移型铁电体：钙钛矿或者烧绿石结构的，钛酸钡、铌酸镉、铌酸锶 • 有序-无序型相变：RS，KDP，TGS
结晶化学
• 氢键铁电体： RS，KDP，TGS； 双氧化物铁电体：BT， KN,KT,NN
极化轴
• 单轴铁电体:RS，KDP，TGS • 多轴铁电体:BT,铌酸镉
有无对称中心
• 无对称中心：KTN，KDP • 有对称中心：BT，TGS
第二节：铁电体的结构相变
居里温度 Curie temperature Tc
当晶体从高温降温经过Tc时，要经过一个从非铁电相 （有时称顺电相）到铁电相的结构相变。温度高于Tc时，晶
体不具有铁电性，温度低于Tc时，晶体呈现出铁电性。如果
晶体存在两个或多个铁电相时，只有顺电-铁电相变温度才 称为居里点；晶体从一个铁电相到另一个铁电相的转变温 度称为相变温度或过渡温度。
电 畴
几种典型铁电体的性质
BaTiO3 ，KNbO3，SrNbO3，NaNbO3，PbZrO3， Cd2NbO7 KDP，磷酸二氢钾 KH2PO4 TGS，三甘氨酸硫酸盐，(NH2CH2COOH)3 H2SO4 RS，酒石酸钾钠（罗息盐）NaKC4H4O64H2O
4.3(3)铁电性能解析
电畴“转向”
* 铁电畴在外电场作用下，总是要趋向于与 外电场方向一致。这形象地称作电畴“转 向”。 * 实际上电畴运动是通过在外电场作用下新 畴的出现、发展以及畴壁的移动来实现的。
电滞回线
铁电体的电滞回线是铁电畴在外电场作用下运动的宏观描述
反铁电体
具有反铁电性的材料统称为反铁电体。
反铁电体与铁电体具有某些相似之处：晶体结构
4.3压电性、热释电性、铁电性 能 压电效应：
对压电晶体在一定方向上施加机械应力时，在其 两端表面上会出现数量相等、符号相反的束缚电 荷；作用力相反时，表面荷电性质亦反号，而且 在一定范围内电荷密度与作用力成正比，称为正 压电效应
反之，在一定方向的电场作用下，则会产生外形 尺寸的变化，在一定范围内，其形变与电场强度 成正比，称为逆压电效应-电致伸缩
钛酸钡晶体结构
BaTiO3自发极化方微观机理
铁电滞回线
铁电畴
铁电体自发极化的方向不相同，但在一个小区域内， 各晶胞的自发极化方向相同，这个小区域就称为铁 电畴。 两畴之间的界壁称为畴壁。 铁电畴壁的厚度很薄,大约是几个晶格常数的量级。 （90°畴壁50～100Å， 180°畴壁5～20Å）
值，即降低-T非线性，也使工作状态相应于ε～T平
缓区。
实际应用
• 铁电体可用来作信息存储、图象显示。 • 利用晶体的电光效应可制作光调制器、晶体 光阀、电光开关等光器件。
铁电材料的特征
3、居里点Tc:铁电材料重要参数
通常铁电体的自发极化只在一定温度范围内呈 现，当温度高于某一临界温度Tc时，自发极化 消失。 Tc以下，局部电场作用大于热激发，偶极子趋 于平行排列而出现铁电畴； Tc以上，热激发大 于局部电场作用，偶极子趋于无序排列而变为 顺电相。
【精品文章】一文认识电子陶瓷用钛酸钡陶瓷粉体
一文认识电子陶瓷用钛酸钡陶瓷粉体
钛酸钡（BaTiO3）是钛酸盐系电子陶瓷的主要原料，作为一种铁电材料，以其优异的介电性能，广泛应用于多层陶瓷电容器、声纳、红外辐射探测、晶界陶瓷电容器、正温度系数热敏陶瓷等，具有广阔的应用前景，被誉为电子陶瓷的支柱。
随着电子设备及其元器件的小型、轻量、可靠和薄型化的发展，使得对高纯超细钛酸钡粉体的要求越来越迫切。
一、钛酸钡概述
钛酸钡是一致性熔融化合物，其熔点为1618℃。
具有五种结晶变型：六方晶型、立方晶型、四方晶型、正方晶型、三方晶型；室温下以正方晶型稳定。
图1 钛酸钡粉体SEM图片
图2 钛酸钡立方晶型（左），钛酸钡的铁电相变示意图（右）
1、钛酸钡的铁电性
当BaTiO3受到高电流电场作用时，在居里点120℃以下会产生持续的极化效应。
极化的钛酸钡有两个重要的性质：铁电性和压电性。
BaTiO3铁电晶体中存在许多自发极化方向不同的小区域，每个区域由很多自发极化方向相同的晶胞构成，这些小区域称为“电畴”。
具有电畴结构的晶体称为铁电晶体或铁电体。
图3给出了BaTiO3基铁电陶瓷在外电场作用下电筹的外形几何尺寸的变化。
图3 BaTiO3基铁电陶瓷在外电场作用下电筹的外形几何尺寸的变化
2、钛酸钡的居里温度
BaTiO3居里温度Tc是指四方相和立方相间的相变温度，即铁电晶体失。
铁电体(BaTiO3)极化特性解释
USTC 黄正化 2003
n r
铁电体的极化特性
• 一般铁电体的晶体结构和成键特点 和电子分布 • BaTiO3 的电子构型 • BaTiO3极化特性的解释 • 对居里点得解释 • 电滞出现的条件 • 外来离子的影响
• 電滯迴線
Nikon 偏光顯微 鏡
• 正反电滞的出现：BaTiO3晶体 层状对称性，反向电场(-E)使 电子偏向Ti-O-Ti层另一侧的 Ba层，表现为反向的电滞（Pr）。 • Pr的出现使电滞回线不再沿开 始的极化曲线返回原点
对居里点得解释
• 电子的能量也可以依靠热运动来获得。一 定的温度使得Ba的外层电子轨道无法再俘 获外来的电子，使得极化不再出现，这一 温度叫居里点。利用经典的方法：
外来离子的影响
• 如在Ba层中引入结构比较复杂的 离子如：La系，由于La系有(n2)f,(n-1)d等能级更低的轨道，故电 滞Pr较大；若在Ti-O-Ti层中引入 La等，则电子不易偏向Ba层，从 而使Pr更小。（图）。
•SBLT-x样 品电滞回线
Thank
you
一般铁电体的晶体结构和成键特点 和电子分布 • 一般铁电体的晶体结构：一般为层 状钙钛矿型。 • 铁电体的成键特点和电子分布：正 离子一般为多层多电子型，以较弱 的离子键成键。 • Ti-O-Ti以网格状分布与一层中， Ba离子单独于一层中。（见图）
•
BaTiO3 a正离子: 2 2 6 2 6 1 • Ti正离： S 2 S 2 P 3 S 3 P • O负离子： S 2 2 S 2 2 P 6 1
mv
2
=
56 4 πε
e
0
2
可见 越大居里点越高。当然这只是一 种趋向，不能由此计算居里点（经典理论 不适用于原子尺寸）。
铁电晶体的结构与性质
铁电晶体的的结构及性质饶燕生摘要：铁电材料具有介电性、压电性、热释电性、铁电性以及电光效应、声光效应、光折变效应和非线性光学效应等重要特性，可用于制作铁电存储器、热释电红外探测器、空间光调制器、光波导、介质移相器、压控滤波器等重要的新型元器件。
这些元器件在航空航天、通信、家电、国防等领域具有广泛的应用前景[]。
本文第一章介绍了晶体的介电性质，包括压电效应及逆压电效应、热释电效应和铁电效应以及相应的基本特点。
然后简要介绍了铁电晶体的发展情况。
第二章主要是关于铁电晶体的基本概念及性质：首先是自发极化的现象及产生，以及铁电体中电畴的概念，简要解释了产生铁电效应的基本前提及要求；然后介绍了铁电体的最基本特性—电滞回线，包括电滞回线的基本含义及相关参数和电滞回线的测量；接着是铁电相的转变温度即居里点；最后简要介绍了关于铁电晶体的分类。
第三章主要是关于铁电晶体的相变即居里点附近非平衡电子对相变的影响。
首先从热力学出发写出了铁电半导体的自由能一般表达式；然后从自由能上分别分析了铁电晶体的二级相变和一级相变以及相变过程中相应参数的变化，最后简要考虑了非平衡电子对相变的影响，包括对居里点、自发极化、介电和压电性质以及潜热和热容量的突变的影响。
目录摘要：......................................................................... 错误!未指定书签。
第一章绪论 ............................................................. 错误!未指定书签。
引言..................................................................... 错误!未指定书签。
晶体的介电性质 ................................................ 错误!未指定书签。
Bi(Zn0.5Ti0.5)O3—BaTiO3陶瓷的结构、介电和铁电性能
Bi(Zn0.5Ti0.5)O3—BaTiO3陶瓷的结构、介电和铁电性能摘要本文采用了固相合成法制备BBT系统陶瓷，以Bi(Zn0.5Ti0.5)O3—BaTiO3陶瓷系统为研究对象，通过SEM、XRD等实验手段对其合成过程进行分析，研究了陶瓷制备过程中烧结温度和烧结时间对结构演化的影响，并研究其结构与介电性能和铁电性能的关系。
结果得出：介电常数εr随着烧结温度升高而明显增大，且具有明显的频率敏感性。
三方相含量较高的BaTiO3陶瓷具有较高的矫顽场和较大的剩余极化强度；四方相含量较高的BaTiO3陶瓷具有较低的矫顽场和较小的剩余极化强度，Bi3+取代使三方相含量增加，铁电性能明显提高。
关键词：Bi(Zn0.5Ti0.5)O3—BaTiO3，固相烧结法，结构，介电性能，铁电性能内容引言近年来，由于建筑工业的发展和人们对装饰、装修要求的多样化，国内外建筑卫生陶瓷工业发张十分迅猛。
陶瓷在中国乃至世界有着辉光的篇章，20世纪的工业革命极大地推动了科学技术的进步和社会生产力的发展。
与金属材料和有机高分子材料比较，陶瓷材料的高强度、高硬度、耐腐蚀和化学性质稳定等特性使得它在机械、冶金、化工、航天航空等领域有着广阔的应用市场。
而陶瓷材料在热学、光学、磁学和电子学等方面所表现的特殊性能则构成了功能庞大的家族，为电子技术、传感技术和生物技术等现代高新技术的发展做出了重要贡献。
然而，陶瓷这一传统工业比其他新兴工业发展相对较慢，一方面是由于制造陶瓷的原料大多为天然矿物，在不同地区甚至同一地区原料的组成，结构和性能千差万别，对其认识主要是经验性的，而缺乏通用性和科学认识。
另一方面，陶瓷成型的技术性很强，难以机械化和自动化生产。
总之，传统陶瓷工业发展缓慢的根本原因是其组成—结构—性能之间的关系非常复杂，还有传统工艺技术上的垄断和保守。
一. BaTiO3陶瓷的晶格结构简介钛酸钡是属于典型的钙钛矿型晶体结构，其通式为ABO3。
3.4 铁电性及铁电体
晶体中出现了一个个由许多晶胞组成的自发极化方向相 同的小区域，晶体中这种自发极化方向一致的小区域称为铁 电畴（或电畴）。
两个铁电畴之间的界面称为畴壁。晶体中两个自发极化 方向反平行排列的铁电畴称为180°畴，其畴壁称为180°畴 壁；晶体中两个自发极化方向相互垂直排列的铁电畴称为 90°畴，其畴壁称为90°畴壁。
Anhui University of Technology
Materials Physics Properties
15
电光效应
由于铁电体的极化随E而改变。因而晶体的折射率也将随E改
变。这种由于外电场引起晶体折射率的变化称为电光效应。
利用晶体的电光效应可制作光调制器、晶体光阀、电光开关
等光器件。
目前应用到激光技术中的晶体很多是铁电晶体，如LiNbO3，
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3.4 铁电性及铁电体
三、铁电体的电滞回线
电滞回线是铁电体的一个特征。 它是铁电体的极化强度 P 随外 加电场强度E的变化轨迹。
C
D
F
Ps：饱和极化强度
Pr：剩余极化强度 Ec：矫顽电场强度（使剩余 极化强度降为零时的电场值）
(3) 矫顽电场强度Ec。铁电物质极化到饱和后，由于电滞现 象，要使电介质中极化强度P为零，必须有一定的反向电场 强度-E，该电场强度称为矫顽电场强度Ec。
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中国科学技术大学材科基答案
中国科学技术大学2010年硕士学位研究生入学考试试题参考答案（材料科学基础）一、单项选择题1、C *玻璃淬火时表面降温快先定型，之后内部继续冷却并收缩因而牵拉着表面使表面受到压应力。
2、B *裂纹拓展时释放弹性应变能用来形成新的裂纹表面，所以当然要大于表面能了（详见清华版《材料物理性能》p33#以下用“清物”代表此书）3、B4、B *体积膨胀是由于非简谐振动引起的不对称力使质点平衡位置移动，质点平均距离增大，简谐振动不引起体积膨胀。
（详见清物p97）5、B6、B *常见物质硬度比较：金刚石>SiC>Al2O3>SiO2。
7、B8、A9、B10、B *热导率受化学组成等因素的影响，质点原子质量越小，密度越小，杨氏模量E 越大，德拜温度高，热导率大，Be原子质量比Zr小，所以BeO热导率大。
（详见清物p113、p116）11、B12、C *根据公式σ=（ε）m，敏感系数m越小，屈服应力σ越小，越容易屈服。
13、C14、C15、C *抗热应力损伤因子R′′′′=E×2γσ2(1−μ)。
E：弹性模量，γ：表面能。
16、B *柔度λ=δP，δ：形变量，P：载荷，柔度大即同样载荷下更容易变形，单向压缩要比扭转难变形因而柔度小。
（见清物p50）17、B18、B *相同体积的材料，气孔率高的密度小、质量小、热容小。
19、C *表面热传递系数小热量不易散失，则材料表面与内部温度均匀，热稳定性好。
20、B二、三、（1）X 射线衍射实验，电子显微分析。
（2）L1、L2 、L4、P。
（3）金刚石立方晶体结构，石墨晶体六边形层状结构，石墨烯单原子层二维晶体结构，C60。
（4）立方、面心立方结构、6/6。
四、（1）不可以（2）II型TiO2的密度大，根据Clapeyron(克拉贝龙)方程：dpdT =ΔHT×ΔVm，从II型TiO2到金红石，两相共存线的斜率dpdT >0 →ΔV>0 →Δρ<0 →ρTiO2>ρ金红石五、（1）1840℃，是（2）①多晶转变：αL 1727℃→ β②共晶转变：L 1670℃→TiO2+Al2TiO5（3）当两者形成固溶体时，由于Al2O3中的原子加入到TiO2，使TiO2得晶体结构遭到破坏，晶格内发生点阵畸变，导致体系能量增大，稳定性降低，熔点降低。
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•SBLT-x样 品电滞回线
Thank
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铁电体（BaTiO3)极化特 性解释
USTC 黄正化 2003
n r
铁电体的极化特性
• 一般铁电体的晶体结构和成键特点 和电子分布 • BaTiO3 的电子构型 • BaTiO3极化特性的解释 • 对居里点得解释 • 电滞出现的条件 • 外来离子的影响
• 電滯迴線
Nikon 偏光顯微 鏡
一般铁电体的晶体结构和成键特点 和电子分布 • 一般铁电体的晶体结构：一般为层 状钙钛矿型。 • 铁电体的成键特点和电子分布：正 离子一般为多层多电子型，以较弱 的离子键成键。 • Ti-O-Ti以网格状分布与一层中， Ba离子单独于一层中。（见图）
电滞出现的条件
• 温度在居里点以下 • 正离子为多质子核，且n/r 足够大 • 正离子核外有空的且能级比较低的 轨道 • 负离子为非强电负性 • 晶体结构为对称的层状结构
外来离子的影响
• 如在Ba层中引入结构比较复杂的 离子如：La系，由于La系有(n2)f,(n-1)d等能级更低的轨道，故电 滞Pr较大；若在Ti-O-Ti层中引入 La等，则电子不易偏向Ba层，从 而使Pr更小。（图）。
对居里点得解释
• 电子的能量也可以依靠热运动来获得。一 定的温度使得Ba的外层电子轨道无法再俘 获外来的电子，使得极化不再出现，这一 温度叫居里点。利用经典的方法：
mv2
可见 种趋向，不能由此计算居里点（经典理论 不适用于原子尺寸）。
n r 越大居里点越高。当然这只是一
56e 2 14e 2 4 0 r 0 r G G
BaTiO3极化特性的解释
• E作用下电子的偏移 • Ba离子核外空轨道：4f.5p.5d.6S。 能量均较低，可以比较容易地容纳电 子。 • Ti-O-Ti层电子的丢失 ：Ba外层电子 轨道俘获从Ti-O-Ti层偏移来电子 • 电滞（Pr）出现：电子在Ba层中的滞 留
• 正反电滞的出现：BaTiO3晶体 层状对称性，反向电场(-E)使 电子偏向Ti-O-Ti层另一侧的 Ba层，表现为反向的电滞（Pr）。 • Pr的出现使电滞回结 构
BaTiO3 的电子构型
• Ba正离子: 2 2 6 2 6 1S 2S 2 P 3S 3P • Ti正离： 2 2 6 • O负离子： 1S 2S 2P
1S 2 2S 2 2 P 6 3S 2 3P 6 3d 10 4S 2 4 P 6 4d 10 5S 2 5P 6