(完整PPT)第六章铁电性能和压电性能_材料物理(1)

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，
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
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
铁电体 (Ferroelectrics) : Ps（必要条件） E Ps 重新定向
-----铁电体的最重要判据 -----铁电体具有许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。
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
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。
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°
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
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：
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。
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
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）热电技术来自百度文库
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）。
(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
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
[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。