铁电材料概述优秀课件
合集下载
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)。
6
（2）KDP时期——KH2PO4
KH2PO4的值却高达30 在理论研究方面， Müller 首先将热 力学理论应用于 铁电体。VL Ginsburg 将郎道（Landau）相变 理论应用于KH2PO4型铁 电体， 并迈出了将这一理论应用于更一般情况的第一步
德文希尔（De-Vonshire）将其进行完善，发展为今 天仍之有效的郎道-德文希尔理论
个可能的取向。所有铁电体都可以通过人工极化使其具有压电性 ,但具有 压电性的并不一定都是铁电体。声-热-电-光-磁-力等性质的交叉效应在
铁电体中普遍存在。
3
§1.1 铁电体的基本物理特性
1 自发极化与铁电体
诱导极化：E≠0 P
电滞回线：
Pr称为铁电体的剩余极化强度 Ec为矫顽场
电场在正负饱和值之间循环一周 时，形成了铁电电滞回线。
10
铁电薄膜的主要制备方法
11
两种主要制备方法（实验室可以做 的）
块状陶瓷的常用方法——固相烧结工艺主要 步骤：配料 混合 预烧 粉碎 成型 排胶 烧结 被电
极 测试
薄膜材料的主要制备方法——溶胶凝胶法主 要步骤：基片清洁 溶胶的制备 匀胶 干燥 晶化
12
二、Bi6FeCrTi3O18样品制备及性能测试
压电效应：正压电效应和逆压电效应。具有压电效应的材料称 为压电材料。
铁电材料：在具有压电效应的材料中 ,具有自发极化 ,(自发极化
包括二部分：一部分来源于离子直接位移；另一部分是由于电子云的形 变)
而且其自发极化强度可以因外电场反向而反向 ,或者在电场作用 下不可反向但可以重取向的晶体 。铁电体中的自发极化有两个或多
4
关于铁电的发展历史， 大体可以分为以下四个 阶段
罗息盐时期—发现铁电性 KDP时期—铁电热力学理论 钙钛矿时期—铁电软模理论 铁电薄膜及器件时期—小型化（铁电液晶、聚合物复合材
料、薄膜材料和异质结构等非均匀系统 ）
5
（1）罗息盐
罗息盐即酒石酸钾钠( NaKC4H406·4H20)是上 千种铁电体中最早被发现的晶体之一．它存在 上、下两个居里点，297K和255K。在这两个 温度之间，它处于铁电相。大于297K或小于 255K时处于顺电相。六方结构。
（2）按极化轴多少分类
沿一个晶轴方向极化的铁电体：罗息盐（RS）、KDP等；
沿几个晶轴方向极化的铁电晶体：BaTiO3、Cd2Nb2O7等。
（3）按照在非铁电相时有无对称中心分类
非铁电相无对称中心：钽铌酸钾（KTN）和磷酸二氢钾（KDP）族的晶体。
由于无对称中心的晶体一般是压电晶体，故它们都是具有压电效应的晶体；
称料
①
球磨抽料烘烤
②
③
预合成
④
⑤
研磨、造粒、再研磨
⑦
完成样品制备
压片
⑥
烧结
微观结构测量 表面形貌测量
铁磁性能测量
铁电性测量
Bi6FeCrTi3O18样品的制备以及各性能测量的流程图
13
块状陶瓷的常用方法——固相烧结工艺具体流程（以制备层
状钙钛矿为例） （1）称料 1.烘料：将所需原料放到80℃下烘干24h 2.按照化学式计算各原料所需质量，用电子电平称量，置于培养皿中。 (2)球磨：将烘干好的料放入球磨罐里，再注入无水酒精至淹没料，将球磨罐放到球 磨机器上固定好，设置转速，时间24h(注意球磨罐必须烘干)。 (3)抽料：将球磨好的料，注入无水酒精，搅拌均匀，用洗净的针筒抽料，放入干烧杯 里，如此重复一直等球磨罐里没有剩余料为止（玻璃针筒的清洗分为：布擦，水洗， 硝酸浸泡超声10min，水洗，乙醇清洗，吹干）。 (4)烘烤：将有料的烧杯盖上烧杯盖放入烘烤箱里，在约100℃下烘24h，去除酒精。 (5)预合成：将烘干的样品取出，研磨成粉末（大约20min）后装入培养皿中。再将培 养皿中的样品粉末放入洁净干燥的坩埚中压实压平，然后放入高温炉中烧结。升温8h 从室温到800℃， 800℃保温8h，最后降温到100℃左右取出。将预合成的料取出后 研磨，至粉末状，大约40～50 min，然后将磨耗的料放入球磨罐再次球磨48h。重复 (3) - (5)步骤。 (6)研磨：在烘烤好的样品放入研钵里，研磨20-30min，分三次滴入适量的黏合剂(之 前须将黏合剂在80℃左右烘一下，每次滴加十三滴，分三次共三十九滴，每次滴完后 研磨10min)，然后将所有的料压成大片（尽量压厚）放置8h再磨碎过筛。 (7)压片：用压片机将样品压成大片(厚度约2 mm)和小片(厚度小于2 mm)。 (8)排塑：因为在研磨时加入了粘合剂，所以要把其中的有机物去掉。放入高温箱式电 炉中升温6h升到500℃(使用6h慢速升温主要是为了防止有机物还没有挥发就碳化)， 再保温4h。 (9)烧结：将排塑后的样品放到高温箱式电炉中，用8h分别升温至980℃、1000℃温 度后再保温4h，另一份980℃保温6h。然后用M03XHF22型X射线衍射仪对样品进行 结构分析，选择合适的温度，对剩下的样品再次烧结。 (10) 减薄、抛光：将样品在粗砂纸上打磨，致厚度为0.5 mm及 0.2 mm左右各两1片4 。 再至于细砂纸上进行抛光。再将抛光后的样品置于无水乙醇中超声5min后取出，装入
ABO3 其空间结构如右图 8
铁电材料的分类
（1）结晶化学分类
源自文库
含有氢键的晶体：磷酸二氢钾（KDP）、三甘氨酸硫酸盐（TGS）、罗息盐
（RS）等。这类晶体通常是从水溶液中生长出来的，故常被称为水溶性铁电体，
又叫软铁电体；
（Li2双O氧-N化b2物O晶5）体等：，如这B类aT晶iO体3（是B从aO高-T温iO熔2）体、或K熔N盐bO中3（生K长2出O-来N的b2，O5又）称、为L硬iNb铁O电3 体．它们可以归结为ABO3型，Ba2+，K+、Na+离子处于A位置，而Ti4+、Nb6+、 Ta6+离子则处于B位置。
铁电材料概述
报告人—— 陈新娟
1
报告提纲
概念 发展历史 制备方法 现有铁电材料的优缺点以及研究方向 铁电材料的应用
2
压电材料、铁电材料
压电材料是实现机械能与电能相互转换的功能材料.
压电材料主要有四种：压电单晶、 压电陶瓷、 压电聚合物及 复合压电材料。其中压电陶瓷系列品种众多 ,应用广泛。
7
（3）钙钛矿型材料—ABO3
钛酸钡（BaTiO3）钛酸钡陶瓷是目前应用最广
泛和研究较透彻的一种铁电材料。钛酸钡是第一个不 含氢的氧化物铁电体，由于其性能优良，化学上，热 学上的稳定性好，工艺简便，很快被用作介电和压电 元件。
钙钛矿结构：有BaTiO3 ( 钛酸钡) 、 KNbO3 、KTaO3 、LiNbO3 PZT(Pb(Zr Ti )03) 、 PLZT(铅、镧、锆、钛)， 至 20 世纪 50 年代末， 大约有 100 种化合物被 发现具有铁电性。截至1990 年，已知的铁电体约为 250 种.通式
非铁电相时有对称中心：不具有压电效应，如BaTiO3、TGS（硫酸三甘肽）
以及与它们具有相同类型的晶体。
（4）按相转变的微观机构分类
（5）“维度模型”分类法
9
铁电材料的制备方法
1 固相反应法 2 溶胶一 凝胶法 3 熔盐法 4 喷雾分解法 5 柠檬酸前驱法 6 水热法 7 无卤素法 8 低温液相法 9……
（2）KDP时期——KH2PO4
KH2PO4的值却高达30 在理论研究方面， Müller 首先将热 力学理论应用于 铁电体。VL Ginsburg 将郎道（Landau）相变 理论应用于KH2PO4型铁 电体， 并迈出了将这一理论应用于更一般情况的第一步
德文希尔（De-Vonshire）将其进行完善，发展为今 天仍之有效的郎道-德文希尔理论
个可能的取向。所有铁电体都可以通过人工极化使其具有压电性 ,但具有 压电性的并不一定都是铁电体。声-热-电-光-磁-力等性质的交叉效应在
铁电体中普遍存在。
3
§1.1 铁电体的基本物理特性
1 自发极化与铁电体
诱导极化：E≠0 P
电滞回线：
Pr称为铁电体的剩余极化强度 Ec为矫顽场
电场在正负饱和值之间循环一周 时，形成了铁电电滞回线。
10
铁电薄膜的主要制备方法
11
两种主要制备方法（实验室可以做 的）
块状陶瓷的常用方法——固相烧结工艺主要 步骤：配料 混合 预烧 粉碎 成型 排胶 烧结 被电
极 测试
薄膜材料的主要制备方法——溶胶凝胶法主 要步骤：基片清洁 溶胶的制备 匀胶 干燥 晶化
12
二、Bi6FeCrTi3O18样品制备及性能测试
压电效应：正压电效应和逆压电效应。具有压电效应的材料称 为压电材料。
铁电材料：在具有压电效应的材料中 ,具有自发极化 ,(自发极化
包括二部分：一部分来源于离子直接位移；另一部分是由于电子云的形 变)
而且其自发极化强度可以因外电场反向而反向 ,或者在电场作用 下不可反向但可以重取向的晶体 。铁电体中的自发极化有两个或多
4
关于铁电的发展历史， 大体可以分为以下四个 阶段
罗息盐时期—发现铁电性 KDP时期—铁电热力学理论 钙钛矿时期—铁电软模理论 铁电薄膜及器件时期—小型化（铁电液晶、聚合物复合材
料、薄膜材料和异质结构等非均匀系统 ）
5
（1）罗息盐
罗息盐即酒石酸钾钠( NaKC4H406·4H20)是上 千种铁电体中最早被发现的晶体之一．它存在 上、下两个居里点，297K和255K。在这两个 温度之间，它处于铁电相。大于297K或小于 255K时处于顺电相。六方结构。
（2）按极化轴多少分类
沿一个晶轴方向极化的铁电体：罗息盐（RS）、KDP等；
沿几个晶轴方向极化的铁电晶体：BaTiO3、Cd2Nb2O7等。
（3）按照在非铁电相时有无对称中心分类
非铁电相无对称中心：钽铌酸钾（KTN）和磷酸二氢钾（KDP）族的晶体。
由于无对称中心的晶体一般是压电晶体，故它们都是具有压电效应的晶体；
称料
①
球磨抽料烘烤
②
③
预合成
④
⑤
研磨、造粒、再研磨
⑦
完成样品制备
压片
⑥
烧结
微观结构测量 表面形貌测量
铁磁性能测量
铁电性测量
Bi6FeCrTi3O18样品的制备以及各性能测量的流程图
13
块状陶瓷的常用方法——固相烧结工艺具体流程（以制备层
状钙钛矿为例） （1）称料 1.烘料：将所需原料放到80℃下烘干24h 2.按照化学式计算各原料所需质量，用电子电平称量，置于培养皿中。 (2)球磨：将烘干好的料放入球磨罐里，再注入无水酒精至淹没料，将球磨罐放到球 磨机器上固定好，设置转速，时间24h(注意球磨罐必须烘干)。 (3)抽料：将球磨好的料，注入无水酒精，搅拌均匀，用洗净的针筒抽料，放入干烧杯 里，如此重复一直等球磨罐里没有剩余料为止（玻璃针筒的清洗分为：布擦，水洗， 硝酸浸泡超声10min，水洗，乙醇清洗，吹干）。 (4)烘烤：将有料的烧杯盖上烧杯盖放入烘烤箱里，在约100℃下烘24h，去除酒精。 (5)预合成：将烘干的样品取出，研磨成粉末（大约20min）后装入培养皿中。再将培 养皿中的样品粉末放入洁净干燥的坩埚中压实压平，然后放入高温炉中烧结。升温8h 从室温到800℃， 800℃保温8h，最后降温到100℃左右取出。将预合成的料取出后 研磨，至粉末状，大约40～50 min，然后将磨耗的料放入球磨罐再次球磨48h。重复 (3) - (5)步骤。 (6)研磨：在烘烤好的样品放入研钵里，研磨20-30min，分三次滴入适量的黏合剂(之 前须将黏合剂在80℃左右烘一下，每次滴加十三滴，分三次共三十九滴，每次滴完后 研磨10min)，然后将所有的料压成大片（尽量压厚）放置8h再磨碎过筛。 (7)压片：用压片机将样品压成大片(厚度约2 mm)和小片(厚度小于2 mm)。 (8)排塑：因为在研磨时加入了粘合剂，所以要把其中的有机物去掉。放入高温箱式电 炉中升温6h升到500℃(使用6h慢速升温主要是为了防止有机物还没有挥发就碳化)， 再保温4h。 (9)烧结：将排塑后的样品放到高温箱式电炉中，用8h分别升温至980℃、1000℃温 度后再保温4h，另一份980℃保温6h。然后用M03XHF22型X射线衍射仪对样品进行 结构分析，选择合适的温度，对剩下的样品再次烧结。 (10) 减薄、抛光：将样品在粗砂纸上打磨，致厚度为0.5 mm及 0.2 mm左右各两1片4 。 再至于细砂纸上进行抛光。再将抛光后的样品置于无水乙醇中超声5min后取出，装入
ABO3 其空间结构如右图 8
铁电材料的分类
（1）结晶化学分类
源自文库
含有氢键的晶体：磷酸二氢钾（KDP）、三甘氨酸硫酸盐（TGS）、罗息盐
（RS）等。这类晶体通常是从水溶液中生长出来的，故常被称为水溶性铁电体，
又叫软铁电体；
（Li2双O氧-N化b2物O晶5）体等：，如这B类aT晶iO体3（是B从aO高-T温iO熔2）体、或K熔N盐bO中3（生K长2出O-来N的b2，O5又）称、为L硬iNb铁O电3 体．它们可以归结为ABO3型，Ba2+，K+、Na+离子处于A位置，而Ti4+、Nb6+、 Ta6+离子则处于B位置。
铁电材料概述
报告人—— 陈新娟
1
报告提纲
概念 发展历史 制备方法 现有铁电材料的优缺点以及研究方向 铁电材料的应用
2
压电材料、铁电材料
压电材料是实现机械能与电能相互转换的功能材料.
压电材料主要有四种：压电单晶、 压电陶瓷、 压电聚合物及 复合压电材料。其中压电陶瓷系列品种众多 ,应用广泛。
7
（3）钙钛矿型材料—ABO3
钛酸钡（BaTiO3）钛酸钡陶瓷是目前应用最广
泛和研究较透彻的一种铁电材料。钛酸钡是第一个不 含氢的氧化物铁电体，由于其性能优良，化学上，热 学上的稳定性好，工艺简便，很快被用作介电和压电 元件。
钙钛矿结构：有BaTiO3 ( 钛酸钡) 、 KNbO3 、KTaO3 、LiNbO3 PZT(Pb(Zr Ti )03) 、 PLZT(铅、镧、锆、钛)， 至 20 世纪 50 年代末， 大约有 100 种化合物被 发现具有铁电性。截至1990 年，已知的铁电体约为 250 种.通式
非铁电相时有对称中心：不具有压电效应，如BaTiO3、TGS（硫酸三甘肽）
以及与它们具有相同类型的晶体。
（4）按相转变的微观机构分类
（5）“维度模型”分类法
9
铁电材料的制备方法
1 固相反应法 2 溶胶一 凝胶法 3 熔盐法 4 喷雾分解法 5 柠檬酸前驱法 6 水热法 7 无卤素法 8 低温液相法 9……