(完整PPT)第六章铁电性能和压电性能_材料物理(1)
合集下载
铁电性与压电性PPT课件
第5页/共41页
等轴晶系（大于120oC） ： 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， 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
第6页/共41页
结果： 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，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。
d:压电常数 逆压电效应的应变与施加的电场强度有如下关系：
S=dE d:压电常数 注：正、逆压电效应的压电常数一样。
第23页/共41页
2. 压电材料的性能
（1）机电偶合系数 （2）机械品质因数 （3）频率常数 （4）压电常数 （5）弹性模量、相对介电常数、居里温度等。 介电质的基本性能：介电常数、介电损耗等 特殊应用要求的性能：如：滤波器要求谐振频率稳定性高
第21页/共41页
－－－－－－－
+ + ++ + 极化方向
－－－－－－－ + + ++
－－－－－
+ 极化方向
++++++
自+由电荷
－－－－－
－－－－－－－－－－－－
++++++ +
第6章压电、铁电材料
极化 F 面
Q
机 ｛ 械 能 压电 效 应 及 可逆性
F
逆压电 效应 压电 介质 正压电 效应
电 ｝ 能ຫໍສະໝຸດ Company Logo极化现象：
当电介质放入电场中时，电荷质点在电场作用下发生相对
位移，正电荷沿电场作用方向移动，负电荷向反方向移动，形 成许多电偶极子，即发生极化。 电介质，电场导致极化表面有电荷。 压电材料，机械作用导致极化表面有电荷。
压电陶瓷
压电陶瓷是一类具有压电特性的电子陶瓷材料.
普通陶瓷是由许多小晶粒构成的多晶体，这些小晶粒通常是无 规则地排列，使陶瓷为各向同性材料，一般无压电效应。 为了使陶瓷能表现出宏观的压电特性，就必须将压电陶瓷置于 强直流电场下进行极化处理，以使原来混乱取向的各自发极化 矢量沿电场方向择优取向.在电场取消之后，经过极化处理后的 压电陶瓷具有压电效应。
钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷
钛酸钡具有较好的压电性，是在锆钛酸铅(PZT)陶瓷出现之前
，广泛应用的压电材料。但是，钛酸钡的居里点不高(120度) ，限制了器件的工作温度范围。
为了扩大钛酸钡压电陶瓷的使用温度范围，出现了以
BaTiO3为基的BaTiO3-PbTiO3系陶瓷。BaTiO3中加入 PbTiO3，可以使陶瓷的居里温度移向高温，扩大了器件 的工作温度范围。
钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷
在1460~120℃之间钛酸钡转变为
立方钙钛矿型结构。
在此结构中Ti4+(钛离子)居于O2-( 氧离子)构成的氧八面体中央， Ba2+(钡离子)则处于八个氧八面体 围成的空隙中。此时的钛酸钡晶 体结构对称性极高，因此不具自 发极化能力。
钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷
压电陶瓷
Q
机 ｛ 械 能 压电 效 应 及 可逆性
F
逆压电 效应 压电 介质 正压电 效应
电 ｝ 能ຫໍສະໝຸດ Company Logo极化现象：
当电介质放入电场中时，电荷质点在电场作用下发生相对
位移，正电荷沿电场作用方向移动，负电荷向反方向移动，形 成许多电偶极子，即发生极化。 电介质，电场导致极化表面有电荷。 压电材料，机械作用导致极化表面有电荷。
压电陶瓷
压电陶瓷是一类具有压电特性的电子陶瓷材料.
普通陶瓷是由许多小晶粒构成的多晶体，这些小晶粒通常是无 规则地排列，使陶瓷为各向同性材料，一般无压电效应。 为了使陶瓷能表现出宏观的压电特性，就必须将压电陶瓷置于 强直流电场下进行极化处理，以使原来混乱取向的各自发极化 矢量沿电场方向择优取向.在电场取消之后，经过极化处理后的 压电陶瓷具有压电效应。
钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷
钛酸钡具有较好的压电性，是在锆钛酸铅(PZT)陶瓷出现之前
，广泛应用的压电材料。但是，钛酸钡的居里点不高(120度) ，限制了器件的工作温度范围。
为了扩大钛酸钡压电陶瓷的使用温度范围，出现了以
BaTiO3为基的BaTiO3-PbTiO3系陶瓷。BaTiO3中加入 PbTiO3，可以使陶瓷的居里温度移向高温，扩大了器件 的工作温度范围。
钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷
在1460~120℃之间钛酸钡转变为
立方钙钛矿型结构。
在此结构中Ti4+(钛离子)居于O2-( 氧离子)构成的氧八面体中央， Ba2+(钡离子)则处于八个氧八面体 围成的空隙中。此时的钛酸钡晶 体结构对称性极高，因此不具自 发极化能力。
钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷
压电陶瓷
4.2 材料的压电性与铁电性能
材料的压电性能与铁电性能
石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关。下图是一个单 元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于 z 轴的xy平 面上的投影，等效为一个正六边形排列。 图中“ +” 代表硅离子 Si4+， “-”代表氧离子O2-。
x ＋ － y ＋ o P 1 － ＋ y x F x x A ＋＋ ＋＋ F y y ＋ － P 1－ P 2 P 3 C ＋ o ＋ － B －－ －－ F y A － － － －－ － － ＋ P 1 o － － P 3 ＋
方硼石(boracite) 异极矿(calamine)
非晶方性结构 (anisotropic)
黄晶(topaz)
若歇尔盐(Rochellesalt)
晶方性(isotropic)结构是 不会产生压电性的
材料的压电性能与铁电性能
压电效应的应用
在居里兄弟发现“压电效应”后的三分之一个世纪中，压电效应在应用 上几乎没有受到任何重视；
具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机—电
能量的相互转换。
机械量
压电元件
电量
材料的压电性能与铁电性能
压电效应的发展历程
压电效应(Piezoelectric effect)是J. Curie和P. Curie兄弟于 1880年在α石英晶体上首先发现的。
研究对称晶体与压电现象的关系
发现：在某一类晶体中施加压力会产生电性 系统研究了施压方向和电场强度之间的关系
－－－－－－－
由电导过程引起 ② 另一种为无功部分(或异相)IR：
由介质弛豫过程引起
+ + + + + + +
介质损耗即为上述的异相分量 与同相分量的比值
材料物理与性能学-第06章
6.3 铁电体的物理效应
铁电体的本质特征是具有自发极化，和自动控制且自发极化可 在电场作用下转向。据此，研究人员开发出了许多在实际中 得到广泛应用的产品。例如信号处理，存储显示，接收发射 和用于计测的产品等，是利用铁电体的压电特性研制成功的； 根据热释电性能制成了单个探测器和矩阵，在红外探测和热 成像系统中得到了应用。利用铁电陶瓷材料具有较强的电致 伸缩效应制成微位移计，在精密机械、光学显微镜、天文望 远镜等方面有着重要用途。除此之外，铁电体作为光学材料 也得到了广泛的应用。铁电体在实际中的应用与其物理效应 有着密切的联系，下面针对其各自效应的基本概念和实际产 品的应用分别加以叙述。
6.1.2.5 介电系数
6.1.3 铁电体的种类
按照铁电体极化轴的多少，可将铁电体分为两类:
只能沿一个晶轴方向极化（沿某轴上下极化）的铁电体，这也
是无序一有序型铁电体（软铁电体），它从顺电相到铁电相 的过渡是从无序到有序的相变。其中有：罗息盐(NaKC4H4O 6·4H2O)，及其他有关的酒石酸盐；磷酸二氢钾(KH2PO4） 型的铁电体；硫酸氨[(NH4)2SO4)]和四氟铍酸氨[(NH4)2BeF 4 )]；三硼酸氢钙[ CaB3O4 (OH)3·H2O]；硫脲(NH2)2CS；一 水甲酸锂（HCOOLi·H2O）等。另一类，可以沿几个晶轴极 化的铁电体，这些晶轴在非铁电相中都是等价的，也称为位 移型铁电体（硬铁电体）。这类铁电体以钛酸钡为代表（Ba TiO3），还有铌酸盐（LiNbO3，KNbO3）和钽酸盐（LiTaO 3、KTaO3)以及SbSI(锑一硫一碘）等。从顺电相到铁电相的 过渡是两个子晶格之间发生位移。
6.1.2 铁电体的特性
6.1.2.1 铁电体的自发极化
许多电介质只有在电场下才会发生极化。电场去除后，极化强 度迅速衰减到零。对于液体和无定形的固体中，由于分子排 列的无序性，外电场为零时，其表现出的宏观极化强度仍然 为零。对于晶体而言，如果某些晶体中每个晶胞中原子的构 型使正负电荷重心不重合或者说在某个方向存在相对位移， 形成电偶极矩，那么整个晶体在该方向上呈现极性，一端为 正，一端为负，导致晶体处于高度的极化状态，而这种极化 状态是在外电场为零时建立起来的，因此称之为自发极化。
65铁电性与压电性
晶体的介电性：电场作用引起电介质产生极化的现象. P= (1－ o)E = o ( r- 1) E 正压电效应：电介质材料在小外力作用下，在某些相对应的表面上 产生等量异号电荷，由形变产生电极化。P=d （不具有对称中心 的晶体）（水晶、罗息盐、闪锌矿） 逆压电效应： S=dtE 电致伸缩效应：电介质在大外力作用下，需考虑非线性项。S=vE2 热释电效应：在热平衡条件下，电介质因自发极化要产生表面束缚 电荷，这种电荷被来自空气中附集于电介质表面上的自由电荷所补 偿，其电不能显现出来，，当温度发生变化，由温度变化引起电介 质的极化状态的改变不能及时被来自电介质表面上的自由电荷所补 偿，使电介质对外显电性。Ps=p T（具有自发极化的晶体）
铁电晶体的两大类：有序—无序型铁电体（自发极化同个 别离子的有序化相联系）；位移型铁电体（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）。
3 . 铁电体的性能及应用
（1）性能
电滞回线
介电特性
非线性
晶界效应
（2）应用
热释电材料的应用
透明铁电材料的应用
铁电电容器的应用
独石电容器结构图 片式结构 外层纯Sn电极
串联型
－
+++++ _____ +++++ _____
V
等效电路
双膜片压电振子
+ + + + －－－ － + + + － － + － + －－－ － － － + － － － + + + + + － + + － －－ + + +
铁电晶体的两大类：有序—无序型铁电体（自发极化同个 别离子的有序化相联系）；位移型铁电体（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）。
3 . 铁电体的性能及应用
（1）性能
电滞回线
介电特性
非线性
晶界效应
（2）应用
热释电材料的应用
透明铁电材料的应用
铁电电容器的应用
独石电容器结构图 片式结构 外层纯Sn电极
串联型
－
+++++ _____ +++++ _____
V
等效电路
双膜片压电振子
+ + + + －－－ － + + + － － + － + －－－ － － － + － － － + + + + + － + + － －－ + + +
压电、热释电与铁电材料及应用PPT文档21页
压电、热释电与铁电材料及应 用
压电、热释电与铁电材料及应用
指导老师：
班级： 姓名：
压电材料的物理机制
压电效应的原理 典型压电材料分析
压电效应的原理
多晶体结构的压电材料在一定温度下经极化处理制成压电元件， 它在受到外力作用而发生形变时，其表面会产生极化电荷，这就 是所谓压电效应；反之，当在压电元件两端面加一外电场时会发 生伸缩形变，称为逆压电效应。压电效应中各量（力学量、电学 量和压电常数等）之间的关系可用一方程组描述：
谢辞
感谢各位老师对我的论文给予指导! 感谢同学们给予我的支持!
谢谢大家！
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
SiO 2
典型压电材料分析
热释电红外报警器工作原理
热释电红外报警器主要由光学系统、热释电红外传感器、信号滤波和放 大、信号处理和报警电路等几部分组成，其结构框图如图所示。图中， 菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化 的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透 镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏 区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而加 强其能量幅度。达到报警效果。
热释电、铁电材料的Байду номын сангаас展方向
未来铁电薄膜以及介电模式工作的陶瓷材料将成为成 像应用的主要热释电材料。在薄膜材料这方面首先研制高 性能的热释电薄膜，并要求制备工艺中的温度不要超过 550℃，以便与硅工艺相兼容。介电模式工作的热释电材 料中，以BST和PST陶瓷为主流，可以探讨采用其他工艺 来提高此类材料的热释电性能。
压电、热释电与铁电材料及应用
指导老师：
班级： 姓名：
压电材料的物理机制
压电效应的原理 典型压电材料分析
压电效应的原理
多晶体结构的压电材料在一定温度下经极化处理制成压电元件， 它在受到外力作用而发生形变时，其表面会产生极化电荷，这就 是所谓压电效应；反之，当在压电元件两端面加一外电场时会发 生伸缩形变，称为逆压电效应。压电效应中各量（力学量、电学 量和压电常数等）之间的关系可用一方程组描述：
谢辞
感谢各位老师对我的论文给予指导! 感谢同学们给予我的支持!
谢谢大家！
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
SiO 2
典型压电材料分析
热释电红外报警器工作原理
热释电红外报警器主要由光学系统、热释电红外传感器、信号滤波和放 大、信号处理和报警电路等几部分组成，其结构框图如图所示。图中， 菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化 的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透 镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏 区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而加 强其能量幅度。达到报警效果。
热释电、铁电材料的Байду номын сангаас展方向
未来铁电薄膜以及介电模式工作的陶瓷材料将成为成 像应用的主要热释电材料。在薄膜材料这方面首先研制高 性能的热释电薄膜，并要求制备工艺中的温度不要超过 550℃，以便与硅工艺相兼容。介电模式工作的热释电材 料中，以BST和PST陶瓷为主流，可以探讨采用其他工艺 来提高此类材料的热释电性能。
第六章 铁电物理与性能学
铁电相变
位移型相变铁电体
（不涉及化学键的破坏，新相和旧相之间存 在明显的晶体学位相关系）
以BaTiO3为例
钛酸钡不同温度下的晶胞结构变化示意图
位移型相变铁电体
以典型铁电材料——钛酸钡BaTiO3晶体为例，介绍其自发极化的微观模型
BaTiO3晶体从非 铁电性到铁电性的 过渡总是伴随着晶 体立方→四方的改 变，因此提出了一 种离子位移理论， 认为自发极化主要 是晶体中某些离子 偏离了平衡位置， 使得单位晶胞中出 现了电偶极矩造成 的
第六章 铁电物理与性能
Ferroelectrics
基本定义
具有自发极化强度,自发极化强度能 在外加电场下反转 或：具有电滞回线和具有电畴的特 点的材料为铁电体
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。
（3）压电聚合物
聚二氟乙烯（PVF2 ）是目前发现的压电效应较强的聚合物 薄膜，这种合成高分子薄膜就其对称性来看，不存在压电效应， 但是它们具有“平面锯齿”结构，存在抵消不了的偶极子。经延 展和拉伸后可以使分子链轴成规则排列，并在与分子轴垂直方向 上产生自发极化偶极子。当在膜厚方向加直流高压电场极化后， 就可以成为具有压电性能的高分子薄膜。这种薄膜有可挠性，并 容易制成大面积压电元件。这种元件耐冲击、不易破碎、稳定性 好、频带宽。为提高其压电性能还可以掺入压电陶瓷粉末，制成 混合复合材料(PVF2—PZT)。
第六章铁电性能和压电性能_材料物理(2)
11
4．克劳修斯—莫索蒂方程 ．克劳修斯 莫索蒂方程 设总电通量密度为D（单位：库仑/m2 ），其数值为电场 设总电通量密度为 （单位：库仑 ），其数值为电场 E和偶极子电场 之和： 和偶极子电场P之和 和偶极子电场 之和： D=P+ε0 E =εE ε ε 将 代入式（ ）， ），得 代入式（6.8），得
6
莫索蒂方程： 二、克劳修斯-莫索蒂方程：介电常数和极化率的关系 克劳修斯 莫索蒂方程 1．宏观电场E ．宏观电场 由右图可看出， 由右图可看出，在介质 电容器中，总电荷Q0中只有 电容器中，总电荷 一部分是自由电荷， 一部分是自由电荷，它建立 一个指向外部的电场和电压。 一个指向外部的电场和电压。 其余是束缚电荷， 其余是束缚电荷，它们的外 电场都被电介质的极化所抵 消。 所以极化强度P造成的 所以极化强度 造成的 电场可以认为是表面束缚电 荷引起的。 荷引起的。
10
（6.6）
（6.7) 2)洛伦兹关系 洛伦兹关系: 洛伦兹关系 式（6.5）中的E3是唯一由晶体结构决定的一项。已经证 ）中的 是唯一由晶体结构决定的一项。 对于球体中具有立方对称的参考位置， 明，对于球体中具有立方对称的参考位置，如果所有原子都可 以用彼此平等的点型偶极子来代替， 以用彼此平等的点型偶极子来代替，则E3 =0，所以： ，所以： （6.8） 这就是洛伦兹关系。 即为宏观电场 即为宏观电场。 这就是洛伦兹关系。 E即为宏观电场。
∑µ P= V
（6.2）
单位为[库仑 米 即 单位为 库仑/米2](即C/m2) 。 库仑 极化强度表示了电介质极化而引起的电容器表面电荷密 度的增加。 度的增加。
5
5.标量形式的极化强度 标量形式的极化强度P: 标量形式的极化强度 如果每一偶极子的电偶极矩具有同一方向，则 如果每一偶极子的电偶极矩具有同一方向， P=µn=nαEloc (6.3)
4．克劳修斯—莫索蒂方程 ．克劳修斯 莫索蒂方程 设总电通量密度为D（单位：库仑/m2 ），其数值为电场 设总电通量密度为 （单位：库仑 ），其数值为电场 E和偶极子电场 之和： 和偶极子电场P之和 和偶极子电场 之和： D=P+ε0 E =εE ε ε 将 代入式（ ）， ），得 代入式（6.8），得
6
莫索蒂方程： 二、克劳修斯-莫索蒂方程：介电常数和极化率的关系 克劳修斯 莫索蒂方程 1．宏观电场E ．宏观电场 由右图可看出， 由右图可看出，在介质 电容器中，总电荷Q0中只有 电容器中，总电荷 一部分是自由电荷， 一部分是自由电荷，它建立 一个指向外部的电场和电压。 一个指向外部的电场和电压。 其余是束缚电荷， 其余是束缚电荷，它们的外 电场都被电介质的极化所抵 消。 所以极化强度P造成的 所以极化强度 造成的 电场可以认为是表面束缚电 荷引起的。 荷引起的。
10
（6.6）
（6.7) 2)洛伦兹关系 洛伦兹关系: 洛伦兹关系 式（6.5）中的E3是唯一由晶体结构决定的一项。已经证 ）中的 是唯一由晶体结构决定的一项。 对于球体中具有立方对称的参考位置， 明，对于球体中具有立方对称的参考位置，如果所有原子都可 以用彼此平等的点型偶极子来代替， 以用彼此平等的点型偶极子来代替，则E3 =0，所以： ，所以： （6.8） 这就是洛伦兹关系。 即为宏观电场 即为宏观电场。 这就是洛伦兹关系。 E即为宏观电场。
∑µ P= V
（6.2）
单位为[库仑 米 即 单位为 库仑/米2](即C/m2) 。 库仑 极化强度表示了电介质极化而引起的电容器表面电荷密 度的增加。 度的增加。
5
5.标量形式的极化强度 标量形式的极化强度P: 标量形式的极化强度 如果每一偶极子的电偶极矩具有同一方向，则 如果每一偶极子的电偶极矩具有同一方向， P=µn=nαEloc (6.3)
第六章铁电性能和压电性能_材料物理(1)
温度对电滞回线 的影响
BaTiO3的电 滞回线
2. 铁电陶瓷的结构、性能与应用
（1）结构
钙钛矿结构 钨青铜结构 铋层状结构 焦绿石结构 钛铁矿结构
• •
共同特点: 含氧八面体 自发极化的起因: 氧八面 体中心离子的相对位移
•
属位移型铁电体
（2）制备工艺
铁电陶瓷的制备工艺流程： 粉体合成－细化－成型－烧结－被覆电极－性能测试 粉体合成： 固态反应法（solid state reaction） 共沉淀法 (coprecipitation) 溶胶－凝胶法 (sol-gel process)
2. 铁电体的概念
铁电体是在一定温度范围内具有自发极化（必要条件） ，并且极化方向可随外加电场做可逆转动的晶体。
铁电体一定是极性晶体，但自发极化转动的晶体仅发生在某些特殊结 构晶体当中，在自发极化转向时，结构不发生大的畸变。
铁电体 (Ferroelectrics) :
Ps（必要条件） E Ps 重新定向
电光器件－利用电光效应，透明PLZT陶瓷（PLZT 9/65/35)
压电器件－利用压电和电致伸缩效应，PZT, PMN-PT
§6.2 压电性能
Piezoelectricity
一、压电效应 二、压电振子及其参数 三、压电陶瓷的预极化
四、压电材料及其应用
一、压电效应 1. 压电效应
1880年由居里兄弟(J. Curie and P. Curie)发现的。 晶体的压电效应是应力和应变等机械量与电场强度和 电位移（或极化强度）等电学量之间的耦合效应。
(a)
(b)
(c)
(d)
180畴翻转示意图 (a)成核，(b)和(c)纵向长大，(d) 横向长大
材料的压电性能和铁电性能比较
材料的压电性能与铁电性能
压电效应1880年发现．铁电 体1920年发现，铁电体是重要的 功能材料
第一节 压电性能 第二节 热释电与铁电性能 第三节 铁电材料的电光效应及其应用 第四节 影响材料压电性与铁电性的因素
材料的压电性能和铁电性能比较
第一节 压电性能
一 压电效应的基本原理
1 压电效应基本概念 由机械应力作用使电介质晶体产生极化并形成晶体表 面电荷的现象 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
材料的压电性能和铁电性能比较
第二节 热释电与铁电性能
②相变温度或过渡温度 晶体从一个铁电相到另一个铁电相的转变温度 ③上、下铁电居里温度Tc 有的晶体在一温度区间内为铁电相，这类晶体有上下 两个铁电居里温度Tc 高温的顺电相总是对称性较高的结构，称为铁电体的 原型结构，随着温度的降低，某些对称要素消失，晶 体可能转变为铁电相，晶体的铁电相是某种原型结构 对称性发生逐次递降而形成的亚群 (5)临界特性 晶体在相变点附近所发生的各种性能反常变化 介电性质、压电性、弹性、光学性质、热学性质
材料的压电性能和铁电性能比较
4、频率常数N
对某一压电振子，其谐振频率和振子振动方向长度的 乘积为一个常数，即频率常数。
其中：
N=fr×l
fr为压电振子的谐振频率；
l为压电振子振动方向的长度。
薄圆片径向振动
Np=fr×D
薄板厚度伸缩振动 Nt=fr×t
细长棒K33振动
压电效应1880年发现．铁电 体1920年发现，铁电体是重要的 功能材料
第一节 压电性能 第二节 热释电与铁电性能 第三节 铁电材料的电光效应及其应用 第四节 影响材料压电性与铁电性的因素
材料的压电性能和铁电性能比较
第一节 压电性能
一 压电效应的基本原理
1 压电效应基本概念 由机械应力作用使电介质晶体产生极化并形成晶体表 面电荷的现象 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
材料的压电性能和铁电性能比较
第二节 热释电与铁电性能
②相变温度或过渡温度 晶体从一个铁电相到另一个铁电相的转变温度 ③上、下铁电居里温度Tc 有的晶体在一温度区间内为铁电相，这类晶体有上下 两个铁电居里温度Tc 高温的顺电相总是对称性较高的结构，称为铁电体的 原型结构，随着温度的降低，某些对称要素消失，晶 体可能转变为铁电相，晶体的铁电相是某种原型结构 对称性发生逐次递降而形成的亚群 (5)临界特性 晶体在相变点附近所发生的各种性能反常变化 介电性质、压电性、弹性、光学性质、热学性质
材料的压电性能和铁电性能比较
4、频率常数N
对某一压电振子，其谐振频率和振子振动方向长度的 乘积为一个常数，即频率常数。
其中：
N=fr×l
fr为压电振子的谐振频率；
l为压电振子振动方向的长度。
薄圆片径向振动
Np=fr×D
薄板厚度伸缩振动 Nt=fr×t
细长棒K33振动
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。
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
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
结晶化学分类法： 软铁电体 硬铁电体
含氢键的晶体（KDP、RS）和双氧化物晶体（BT、PT、LN） 按极化轴数目分类：
单轴铁电体（RS、KDP、LN）和多轴铁电体（BT） 按原型相有无对称中心分类：
压电性铁电体（KDP、RS）和非压电性铁电体（BT） 按铁电相变时原子运动特点分类：
有序－无序型相变的（RS）和位移型相变的（BT、PT、LN） 按居里－外斯常数C的大小分类：
二、BaTiO3自发极化的微观机理 1. BaTiO3的晶体结构
有氧八面体 骨 架 的 ABO3 晶格
BaTiO3的晶体结构
钙钛矿结构
2. BaTiO3的相变
顺电态
Tc 居里温度
铁电态
120°C
5°C
-80°C
立方晶系 四方晶系 斜方晶系
菱形结构
无自发极化 自发极化沿c轴 自发极化沿 自发极化沿
Ps－饱和极化强度 Pr－剩余极化强度（remanent
polarization） Ec－矫顽场强（corcive field）
~2KV/cm －~120KV/cm
按照Ec大小可将铁电体分为： 软铁电体－小Ec 硬铁电体－大Ec
电滞回线是铁电体的重要物理特征之一，也是判别铁电性的 一个重要判据。
3. 铁电体的分类
如: 在钙钛矿结构中，自发极 化起因于[BO6]中中心离子的 位移
[BO6]氧八面体
2. 铁电体的概念
铁电体是在一定温度范围内具有自发极化（必要条件） ，并且极化方向可随外加电场做可逆转动的晶体。
铁电体一定是极性晶体，但自发极化转动的晶体仅发生在某些特殊结 构晶体当中，在自发极化转向时，结构不发生大的畸变。
质
加电场E 成正比。
非线性介质 介质的极化强度与外加电场的关系是非线性的。
铁电体
一、铁电体
1. 自发极化
自发极化是铁电体的本质特征。在某温度范围内，当不 存在外加电场时，原晶胞中的正负电荷中心不相重合， 这样每一个晶胞具有一定的固有偶极矩，这种极化形式 就是自发极化。
产生原因：
在某些晶体中, E ＝ 0 P，
LiNbO3和LiTaO3晶体结构是
三、铁电畴 1. 概念
铁电材料中的电畴类似于磁性材料中的磁畴，是由许多 晶胞组成的具有相同自发极化方向的小区域。
铁电陶瓷中电畴结构示意图
2. 畴壁
（1）概念：两铁电畴之间的界壁称为畴壁
两电畴“首尾相连” 使体系的能量最低
畴壁示意图
（2）类型：
90°畴壁 两电畴的自发极化方向互成90° 较厚：50-100A°
(a)
(b)
(c)
0.1m
0.1m
1.0m
多晶LiTaO3晶粒内箭尾型90电畴结构与曲流状180电畴结构
(a)
(b)
0.1m
0.2m
多晶LiTaO3晶粒内薄片状和箭尾型90电畴结构
[001]方向
[011]方向 [111]方向
3. BaTiO3自发极化的微观机理
离子位移理论
居里温 度以上
正方结构BaTiO3中， Ti4+ 、O2-离子的位移情况
两 个 O2- 离 子 间 的 空 隙 大于Ti4+离子的直径 ， 其在氧八面体内有位移 的余地，温度较高时 （大于120°C），离子 热振动能较大，因此 Ti4+ 离 子 接 近 周 围 6 个 O2- 离 子 的 几 率 相 等 ， 晶胞内不会产生电矩， 自发极化为0。
透射电镜技术（TEM） 畴的变化
（2）光学技术
（3）化学腐蚀
（4）液晶法
（5）X射线形貌技术
（6）粉末沉积法
（7）紫外光电发射
（8）热电技术
采用电镜技术观察时 ，90畴经常呈现箭尾形（herringbone）、板条状 （ banded ） 、 层 状 （ lamellar ） 、 尖 劈 状 （ wedge-shaped ） 或 匕 首 状 （dagger-shaped）的形貌，而180畴为不规则的水痕状（water-mark） 或曲流状（dagger-shaped）。
I类（105k）、II类（103k） 、III类（10k） 按极化反转时原子位移的维数分类：
一维、二维、三维
常见的铁电材料
有序-无序 型铁电体
自发极化同个别离子的有序化相联系
含有氢键：KH2PO4
位移型铁 电体
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
钙钛矿结构：BaTiO3 铁钛矿结构
铁电体 (Ferroelectrics) : Ps（必要条件） E 多独特性质的主要原因
热释电体 (Pyroelectrics)：具有自发极化的晶体--极性晶体
铁电体是热释电体的一个亚族
铁电态下，晶体的极化与电场的关系：电滞回线，铁电态 的一个标志。
以中央四个O2-为参考，各离子的位移情况 自发极化包括两部分：1. 直接由于离子位移（39%）
2. 由于电子云的形变
钛铁矿结构 LiNbO3、LiTaO3
O
Ta
Li
(a)
(b)
(a)LiTaO3的六角晶胞，氧未画出 (b)其在c平面上的投影
c轴
(a)
(b)
LiTaO3晶体结构示意图，水平线代表氧平面
180°畴壁 两电畴的自发极化方向互成180° 较薄：5-20A°
电畴结构
电畴壁结构
电畴壁两侧极化矢 量不连续
磁畴壁(Bloch壁)中磁 化矢量连续变化
复杂的电畴结构
BaTiO3中的电畴结构
弛豫铁电单晶中的电畴结构
3. 观察方法
（1）电子显微技术
分辨率高
扫描电镜技术（SEM） 可直观观察电场下电
第六章 铁电性能和压电性能
§6.1 铁电性能 §6.2 压电性能 §6.3 介电性能
§6.1 铁电性能
一、铁电体 二、钛酸钡自发极化的微观机理 三、铁电畴 四、铁电体的性能及其应用
线性介质
介质的各种极化机构，所讲极化都是介质在外加
电场中的性质。没有外加电场时，介质的极化强
介
度等于零；有外加电场时，介质的极化强度与外
温度降低（小于 120°C）， Ti4+离子 热振动能降低，热振 动 能 特 别 低 的 Ti4+ 不 足以克服Ti4+和O2-离 子间的电场作用，就 有 可 能 向 某 一 个 O2离子靠近，发生自发 位 移 ， 使 这 个 O2- 离 子发生强烈的电子位 移极化。
晶体沿着这个 方向延长，晶 胞发生畸变， 晶体从立方结 构转变为四方 结构，晶胞中 出现了电矩， 即发生了自发 极化。
含氢键的晶体（KDP、RS）和双氧化物晶体（BT、PT、LN） 按极化轴数目分类：
单轴铁电体（RS、KDP、LN）和多轴铁电体（BT） 按原型相有无对称中心分类：
压电性铁电体（KDP、RS）和非压电性铁电体（BT） 按铁电相变时原子运动特点分类：
有序－无序型相变的（RS）和位移型相变的（BT、PT、LN） 按居里－外斯常数C的大小分类：
二、BaTiO3自发极化的微观机理 1. BaTiO3的晶体结构
有氧八面体 骨 架 的 ABO3 晶格
BaTiO3的晶体结构
钙钛矿结构
2. BaTiO3的相变
顺电态
Tc 居里温度
铁电态
120°C
5°C
-80°C
立方晶系 四方晶系 斜方晶系
菱形结构
无自发极化 自发极化沿c轴 自发极化沿 自发极化沿
Ps－饱和极化强度 Pr－剩余极化强度（remanent
polarization） Ec－矫顽场强（corcive field）
~2KV/cm －~120KV/cm
按照Ec大小可将铁电体分为： 软铁电体－小Ec 硬铁电体－大Ec
电滞回线是铁电体的重要物理特征之一，也是判别铁电性的 一个重要判据。
3. 铁电体的分类
如: 在钙钛矿结构中，自发极 化起因于[BO6]中中心离子的 位移
[BO6]氧八面体
2. 铁电体的概念
铁电体是在一定温度范围内具有自发极化（必要条件） ，并且极化方向可随外加电场做可逆转动的晶体。
铁电体一定是极性晶体，但自发极化转动的晶体仅发生在某些特殊结 构晶体当中，在自发极化转向时，结构不发生大的畸变。
质
加电场E 成正比。
非线性介质 介质的极化强度与外加电场的关系是非线性的。
铁电体
一、铁电体
1. 自发极化
自发极化是铁电体的本质特征。在某温度范围内，当不 存在外加电场时，原晶胞中的正负电荷中心不相重合， 这样每一个晶胞具有一定的固有偶极矩，这种极化形式 就是自发极化。
产生原因：
在某些晶体中, E ＝ 0 P，
LiNbO3和LiTaO3晶体结构是
三、铁电畴 1. 概念
铁电材料中的电畴类似于磁性材料中的磁畴，是由许多 晶胞组成的具有相同自发极化方向的小区域。
铁电陶瓷中电畴结构示意图
2. 畴壁
（1）概念：两铁电畴之间的界壁称为畴壁
两电畴“首尾相连” 使体系的能量最低
畴壁示意图
（2）类型：
90°畴壁 两电畴的自发极化方向互成90° 较厚：50-100A°
(a)
(b)
(c)
0.1m
0.1m
1.0m
多晶LiTaO3晶粒内箭尾型90电畴结构与曲流状180电畴结构
(a)
(b)
0.1m
0.2m
多晶LiTaO3晶粒内薄片状和箭尾型90电畴结构
[001]方向
[011]方向 [111]方向
3. BaTiO3自发极化的微观机理
离子位移理论
居里温 度以上
正方结构BaTiO3中， Ti4+ 、O2-离子的位移情况
两 个 O2- 离 子 间 的 空 隙 大于Ti4+离子的直径 ， 其在氧八面体内有位移 的余地，温度较高时 （大于120°C），离子 热振动能较大，因此 Ti4+ 离 子 接 近 周 围 6 个 O2- 离 子 的 几 率 相 等 ， 晶胞内不会产生电矩， 自发极化为0。
透射电镜技术（TEM） 畴的变化
（2）光学技术
（3）化学腐蚀
（4）液晶法
（5）X射线形貌技术
（6）粉末沉积法
（7）紫外光电发射
（8）热电技术
采用电镜技术观察时 ，90畴经常呈现箭尾形（herringbone）、板条状 （ banded ） 、 层 状 （ lamellar ） 、 尖 劈 状 （ wedge-shaped ） 或 匕 首 状 （dagger-shaped）的形貌，而180畴为不规则的水痕状（water-mark） 或曲流状（dagger-shaped）。
I类（105k）、II类（103k） 、III类（10k） 按极化反转时原子位移的维数分类：
一维、二维、三维
常见的铁电材料
有序-无序 型铁电体
自发极化同个别离子的有序化相联系
含有氢键：KH2PO4
位移型铁 电体
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
钙钛矿结构：BaTiO3 铁钛矿结构
铁电体 (Ferroelectrics) : Ps（必要条件） E 多独特性质的主要原因
热释电体 (Pyroelectrics)：具有自发极化的晶体--极性晶体
铁电体是热释电体的一个亚族
铁电态下，晶体的极化与电场的关系：电滞回线，铁电态 的一个标志。
以中央四个O2-为参考，各离子的位移情况 自发极化包括两部分：1. 直接由于离子位移（39%）
2. 由于电子云的形变
钛铁矿结构 LiNbO3、LiTaO3
O
Ta
Li
(a)
(b)
(a)LiTaO3的六角晶胞，氧未画出 (b)其在c平面上的投影
c轴
(a)
(b)
LiTaO3晶体结构示意图，水平线代表氧平面
180°畴壁 两电畴的自发极化方向互成180° 较薄：5-20A°
电畴结构
电畴壁结构
电畴壁两侧极化矢 量不连续
磁畴壁(Bloch壁)中磁 化矢量连续变化
复杂的电畴结构
BaTiO3中的电畴结构
弛豫铁电单晶中的电畴结构
3. 观察方法
（1）电子显微技术
分辨率高
扫描电镜技术（SEM） 可直观观察电场下电
第六章 铁电性能和压电性能
§6.1 铁电性能 §6.2 压电性能 §6.3 介电性能
§6.1 铁电性能
一、铁电体 二、钛酸钡自发极化的微观机理 三、铁电畴 四、铁电体的性能及其应用
线性介质
介质的各种极化机构，所讲极化都是介质在外加
电场中的性质。没有外加电场时，介质的极化强
介
度等于零；有外加电场时，介质的极化强度与外
温度降低（小于 120°C）， Ti4+离子 热振动能降低，热振 动 能 特 别 低 的 Ti4+ 不 足以克服Ti4+和O2-离 子间的电场作用，就 有 可 能 向 某 一 个 O2离子靠近，发生自发 位 移 ， 使 这 个 O2- 离 子发生强烈的电子位 移极化。
晶体沿着这个 方向延长，晶 胞发生畸变， 晶体从立方结 构转变为四方 结构，晶胞中 出现了电矩， 即发生了自发 极化。