铁电体定义、特征和基础知识
铁电与反铁电的比较
集成铁电体的研究
1. 铁电薄膜与半导体的集成称为集成铁电体，近年来广泛开 展了此类材料的研究。铁电存贮器的基本形式是铁电随机 存取存贮器。早期以为主要研究对象，直至年实现了的商 业化。与五六十年代相比，当前的材料和技术解决了几个 重要问题。一是采用薄膜，极化反转电压易于降低，可以 和标准的硅或电路集成；二是在提高电滞回线矩形度的同 时，在电路设计上采取措施，防止误写误读；三是疲劳特 性大有改善，已制出反转次数达5*1012次仍不显示任何疲劳 的铁电薄膜。
铁电体的研究进展
第一性原理的计算
现代能带结构方法和高速计算机的反展使得对 铁电性起因的研究变为可能。通过第一性原理 的计算，对BaTiO3、PbTiO3、KNbO3和LiTaO3等铁 电体，得出了电子密度分布，软模位移和自发 极化等重要结果，对阐明铁电性的微观机制有 重要作用。
尺寸效应的研究
随着铁电薄膜和铁电超微粉的发展，铁电尺寸 效应成为一个迫切需要研究的实际问题。近年 来，人们从理论上预言了自发极化、相变温度 和介电极化率等随尺寸变化的规律，并计算了 典型铁电体的铁电临界尺寸。这些结果不但对 集成铁电器件和精细复合材料的设计有指导作 用，而且是铁电理论在有限尺寸条件下的发展。
钛酸钡的晶体结构图和铁电相变图
典型的反铁电材料
1. NH4H2PO4型（包括NH4H2AsO4及氘代盐等 ）； 2. （NH4）2SO4型（包括NH4HSO4 及NH4LiSO4等 ）； 3. （NH4）2H3IO6型（包括Ag2H3IO6 等）； 4. 钙钛矿型（包括NaNbO3、PbZrO3、PbHfO3、Pb
铁电体及其相变
应力诱导相变 是指在应力作 用下，铁电体 晶体结构发生 可逆变化的现
象。
铁电体相变的应用
铁电存储器：利用铁电体的相变特性，实现数据的存储和读取 铁电场效应晶体管：利用铁电体的相变特性，实现晶体管的开关功能 铁电传感器：利用铁电体的相变特性，实现对物理量的检测和测量 铁电显示技术：利用铁电体的相变特性，实现图像的显示和更新
铁电晶体管：利用铁电体的电 场效应，实现晶体管的开关功 能
铁电光子学：利用铁电体的电 场效应，实现光子器件的调制 和控制
铁电材料在生物医学领域的 应用：利用铁电材料的生物 相容性，实现生物医学器件 的制备和应用
铁电体的相变
铁电体的相变类型
顺电相变：铁电体从顺电相变为铁电相 的过程
反电相变：铁电体从铁电相变为反电相 的过程
目的：提高铁电体的性能
效果：提高铁电体的电学性能、热 稳定性等
添加标题
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方法：通过表面处理，如涂层、掺 杂等
应用：在电子、能源等领域有广泛 应用
复合改性
复合材料：铁 电体与其他材 料复合，提高
性能
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
改性方法：添 加其他元素或 改变结构，提 高铁电体性能
应用领域：电 子、能源、生 物医学等领域
气相沉积法：在高温下，将 铁电体原料蒸发成气体，然 后在基底上沉积形成铁电体 薄膜
铁电体的性能优化
掺杂改性
掺杂元素：如稀土元素、过渡金属元素等 掺杂方式：固溶体、非晶态、纳米颗粒等 掺杂效果：提高铁电体的电学性能、热稳定性、机械强度等 掺杂机理：通过改变铁电体的晶体结构、电子结构等来优化性能
表面改性
添加标题 添加标题
铁电体的热释电性是指其晶体结构中存在电偶极矩，且电偶极矩的大小可以随温度变化而改变。 铁电体的电致伸缩性是指其晶体结构中存在电偶极矩，且电偶极矩的大小可以随外加电场而改变。
铁电体、热释电体、压电体和介电体及其之间的关系
铁电体、热释电体、压电体和介电体及其之间的关系
铁电体、热释电体、压电体和介电体都是电子材料种类之一，它们在电子领域和工业
领域中有着广泛的应用，是电子材料中的重要种类。
下面我们来了解一下这些电子材料之
间的关系。
铁电体：铁电体是具有铁电性的晶体材料，铁电性是材料自身结构的一个特性，即当
材料暴露在电场中时，会发生电偶极矩的取向变化。
这个特性使得铁电体在电子产品中有
非常广泛的应用，比如它可以用作电容器、震荡器、传感器、存储器等，这些器件在电子
产品中起到重要的作用。
热释电体：热释电体是一种能够将温度变化转化为电能的材料，也叫做热电材料。
热
释电体使用的原理是通过热电效应将热能转化为电能，这个效应是指材料在温度差异作用
下会产生电势差。
热释电体具有良好的稳定性和性能，可以应用于如温度测量、温差发电、制冷等领域。
介电体：介电体是一种在电场作用下不会导电的材料，介电体在电子器件中有广泛的
应用，比如用作电容器、滤波器、隔离器、保险丝等。
由于介电体具有较高的绝缘性能，
它可以防止电信号的干扰和噪声，可以使电子器件的性能更加稳定。
尽管以上这些电子材料在应用领域不同，但它们之间有着一些共同的特性，比如它们
都是晶体材料，都可以产生电势差并转化为电能，它们都可以在电子领域中应用，有着一
定的互相联系。
当然，它们也存在一些区别，这主要体现在各自使用效应的不同点上。
第七章铁电物理
3. 电畴结构
晶体内部在退极化电场的作用下，就会分裂 出一系列自发极化方向不同的小区域，使其 各自所建立的退极化电场互相补偿，相到整 个晶体对内、对外均不呈现电场为止。这些 由自发极化方向相同的晶胞所组成的小区域 便称为电畴，分隔相邻电畴的界面称为畴壁
T
c
式中 为特性温度，它一般略低于居
里点；c称为居里常数；而代表电子极
化对介电常数的贡献，在过渡温度时
可以忽略。
具有铁电的晶体可以分为两大类
一类是以磷酸二氢钾为代表的，具有氢 键，它们从顺电相到铁电相的过渡是无 序到有序的相变
另一类则以钛酸钡为代表的，从顺电相 到铁电相的过渡，是由于其中两个子晶 格发生相对位移
的状态处在图上的O点
O点经A点达到B点：
沿着晶体某一可能产生自发极化的方向加上电场， 当电场超过电畴反转的临界电场时（图上的A点）， 与外场方向不一致的反平行畴与正交畴中便有许多 新畴产生。随着新畴的不断生产和90°畴壁的侧向 移动，与电场方向不一致的畴逐渐消失，沿着电场 方向的电畴逐渐扩大，直到晶体中所有电畴均转向 外电场方向，整个晶体变成一个单一的极化畴
二、铁电体电滞回线
铁电体的自发极化在外电场作用下的重行定 向并不是连续发生的，而是在外电场超过某
一临界场强时发生的。这就使得极化强度P 滞后于外加电场E。当电场发生周期性变化 时，P和E之间便形成电滞回线关系
1.铁电体的电滞回线
假客观存在铁电体在外电场为零时，晶体中的各电 畴互相补偿，晶体对外的宏观极化强度为零，晶体
铁电相是极化的有序状态，顺电相是极化的 无序状态；顺电相所在的温度恒比铁电相所 在的温度高
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
铁电体
铁电体铁电体是指可以产生自发极化并且自发极化可以随外电场的变化而发生转向的电介质材料,铁电体包含于压电体，压电体是指能够产生压电效应及逆压电效应的电介质材料，晶体具有压电性的前提是点群结构是非中心对称的。
结构中心对称的晶体发生形变后，其正电荷和负电荷中心仍然重合，不具备产生压电效应及逆压电效应的条件。
因为正负离子产生相互位移的结果是相互抵消的，所以只有不具备中心对称结构的晶体才具有压电效应可以成为压电晶体，但并不是具有压电效应的点群结构都可以产生自发极化强度，因为很多晶体的压电效应都是在某个特定方向产生的，说明该晶体的点群结构只在某个特定方向上非中心对称。
这就是说所有铁电体都是压电体，但压电体不一定是铁电体，比如石英，四硼酸锂等著名的压电体都不是铁电体[12]。
图1-2 电介质晶体分类在晶体学的32种点群中，有21种点群是非中心对称的，它们分别是1、2、m、222、2mm、4、4、422、4mm、3、32、422、3m、6、6、622、6mm、6m2、23、43m、432。
在这21种点群中，属于432点群的晶体至今未发现压电效应，这可能是由于432点群具有很高的轴对称性造成的，在这21种非中心对称的点群中有10种点群的晶体可能具有自发极化，它们是1、2、m、mm2、4、4mm、3、3m、6、6mm，并且在这10种点群晶体中自发极化还会随着温度的变化而发生改变，如果热胀冷缩效应足够大，那么温度的变化会导致应变的产生，这就是热释电效应，所以铁电体一定是属于可以产生自发极化的这10个点群范围内的[13]，图1-2中给出了几种晶体之间的关系。
铁电体的本质特性是可以产生自发极化，自发极化的产生是由于晶胞内部正负电荷中心不重叠而形成电偶极矩的体现，铁电体呈现自发极化状态，在其正负端面分别出现一层符号相反的束缚电荷使其净电压发生变化。
当铁电体受到机械束缚或外界条件发生变化时自发极化状态也将发生变化，所以自发极化的状态是不稳定的，也不是一致有序的。
铁电体的名词解释
铁电体的名词解释铁电体是一种特殊的晶体材料，具有独特的电学性质和结构特征。
它在外加电场的作用下，可以在分子、原子或晶体的层次上发生可逆的极化。
这种极化特性使得铁电体成为一种重要的功能材料，广泛应用于电子器件、储能装置等领域。
1. 铁电体的概念和特性铁电体是一类特殊的晶体材料，由于其晶体结构的对称性破缺，使得它们能够在外加电场的作用下发生极化。
这种极化可逆，即在去除电场的情况下，铁电体仍能保持极化状态。
这种独特性质使得铁电体在电子行业和科学研究中具有广泛的应用价值。
2. 铁电体的结构铁电体的结构通常由正负离子组成，其晶格结构可分为正交晶系、四方晶系、三方晶系等。
这些晶格结构的共同点是破缺了空间对称性，导致铁电性的出现。
同时，铁电体的晶格结构中通常含有极化轴或反向极化轴，使得极化能够在电场作用下发生转换。
3. 铁电体的应用由于铁电体具有独特的电学性质和结构特征，因此在电子器件制造、传感器技术、电荷存储等领域有着广泛的应用。
其中最典型的应用便是铁电存储器，它利用铁电体极化的性质来实现数据的存储和读取。
与传统存储器相比，铁电存储器具有更高的存储密度、快速的读取速度以及低功耗等优势。
此外，在电子元件中，铁电体的极化性质还可以用于制造传感器和微马达等器件，例如压力传感器利用铁电体的极化改变来检测压力变化。
还有一些研究表明，铁电体材料在太阳能电池、柔性显示器等领域的应用也具有巨大的潜力。
4. 铁电体的研究与发展随着科学技术的不断进步，对铁电体的研究也得到了广泛的关注。
研究人员通过不断改进合成方法、调控晶格结构和探索新的材料组成，试图提高铁电体的性能和稳定性。
此外，利用先进的实验技术和理论模拟手段，科学家们还对铁电体的物理机制进行深入研究，以解开其中的奥秘。
5. 铁电体与其他材料的比较与铁磁体和铁氧体等材料相比，铁电体具有更广泛的极化能力和更高的极化密度。
与传统的铁磁体相比，铁电体还具有更低的介电常数和更高的电容效应。
铁电性课件
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Ps 剩余极化Pr 矫顽电场Ec
Sawyer-Tower 电路
电滞回线表明，铁电体的极化强度与外电场 之间呈现非线性关系，而且极化强度随外电 场反向而反向。 极化强度反向是电畴反转的结果，所以电滞 回线表明铁电体中存在电畴。 所谓电畴就是铁电体中自发极化方向一致的 小区域，电畴与电畴之间的边界称为畴壁。 铁电晶体通常多电畴体，每个电畴中的自发 极化具有相同的方向，不同电畴中自发极化 强度的取向间存在着简单的关系。
按居里-外斯常数的大小分类
按居里-外斯常数的大小分类（参照图6-4）， 这种分类法有利于研究铁电体的相变机制。 居里-外斯常数C 大约在105数量级的为第一 类。这类铁电体的微观相变机制属于位移型， 它主要包括钛酸钡等氧化物形铁电体。近来 发现的SbSI是这一类中的唯一例外，它不是 氧化物。
居里-外斯常数C 大约在103数量级的为第 二类，这类铁电体的微观相变机制属于有 序-无序型，主要包括KDP、TGS、罗息盐和 NaNO2等。C数量级大约在10的为第三类铁 电晶体，属于这一类的典型晶体是 (NH4)2Cd2(SO4)3。这类铁电体的相变机制 目前尚未详细研究，也无专门的名称。
居里-外斯定律Curie-Weiss law
当温度高于居里点时，铁电体的介电常数与 温度的关系服从居里-外斯定律：
C 0
式中：C为居里-外斯常数；为绝对温度； 0为顺电居里温度，或称居里-外斯温度。
Dielectric constant of BaTiO3
铁电性(材料物理性能)
• •
Ti4+
O-
•° • •• • • ° • • •° • • •
7
°
•
•
例2：具有极性轴或结构本身具有自发极化的结构 + + + + + 正 电 荷 层 与 负 电 荷 层 交 替 排 列
固 有 偶 极 子
+ +
+
+ -
+
+ -
+
+
纤锌矿(ZnS)结构在（010）上投影
一、铁电体
是一类特殊的电介质材料，在一定温度范围内含有能自发极化，并且 发极化方向可随外电场作可逆转动的晶体。
1、铁电体的特点
1）铁电体是非线性介质 即极化强度和外施电压的关系是非线性的。
P 0 E
备注：线性介质
没有外加电场时，介质的极化强度等于零。 有外电场时，介质的极化强度与宏观电场E 成正比。
1
2）铁电体是极性晶体
即其极化状态并非由外电场所引起，而是由晶体内部结构特点所 引起，晶体中每个晶胞内存在固有电偶极矩。
注意：铁电晶体一定是极性晶体，但并非所有的极性晶体都是铁电体
2
3）铁电体的极化是自发极化
A.按相转变的自发极化机构铁电体分两类 ：
第一类是位移型，其自发极化同一类离 子的亚点阵相对于另一类亚点阵的整体 位移相联系。 位移型铁电体的结构大多同钙钛矿结构 及钛铁矿结构紧密相关。钛酸钡是典型 的钙钛矿型的铁电体。 Ba2+ Ti4+ O-
• •
•
•
°
°
•
•
O-
无机材料物理性能知识点整理
无机材料物理性能知识点整理无机材料指由无机物单独或混合其他物质制成的材料。
下面是店铺精心整理的无机材料物理性能知识点整理，供大家参考借鉴，希望可以帮助到有需要的朋友。
1.铁电体与铁磁体的定义和异同答：铁电体是指在一定温度范围内具有自发极化，并且自发极化方向可随外加电场作可逆转动的晶体。
铁磁体是指具有铁磁性的物质。
2. 本征（固有离子）电导与杂质离子电导答：本征电导是源于晶体点阵的基本离子的运动。
这种离子自身随着热振动离开晶体形成热缺陷。
这种热缺陷无论是离子或者空位都是带电的，因而都可作为离子电导载流子。
显然固有电导在高温下特别显著；第二类是由固定较弱的离子的运动造成的，主要是杂质离子。
杂质离子是弱联系离子，所以在较低温度下杂质电导表现显著。
相同点：二者的离子迁移率和电导率表达形式相同不同点：a.本征离子电导载流子浓度与温度有关，而杂质离子电导载流子浓度与温度无关，仅决定于杂质的含量B.由于杂质载流子的生成不需要提供额外的活化能，即他的活化能比在正常晶格上的活化能要低得多，因此其系数B比本征电导低一些C.低温部分有杂质电导决定，高温部分由本征电导决定，杂质越多，转折点越高3. 离子电导和电子电导答：携带电荷进行定向输送形成电流的带点质点称为载流子。
载流子为离子或离子空位的为离子电导；载流子是电子或空穴的为电子电导不同点：a.离子电导是载流子接力式移动，电子电导是载流子直达式移动B.离子电导是一个电解过程，符合法拉第电解定律，会发生氧化还原反应，时间长了会对介质内部造成大量缺陷及破坏；而电子电导不会对材料造成破坏C.离子电导产生很困难，但若有热缺陷则会容易很多；一般材料不会产生电子电导，一般通过掺杂形式形成能量上的自由电子D.电子电导的电导率远大于离子电导（原因：1.当温度升高时，晶体内的离子振动加剧，对电子产生散射，自由电子或电子空穴的数量大大增加，总的效应还是使电子电导非线性地大大增加；2.在弱电场作用下，电子电导和温度成指数式关系，因此电导率的对数也和温度的倒数成直线关系；3.在强电场作用下，晶体的电子电导率与电场强度之间不符合欧姆定律，而是随场强增大，电导率有指数式增加4.铁电体与反铁电体答：铁电体是指在一定温度范围内具有自发极化，并且自发极化方向可随外加电场作可逆转动的晶体；反铁电体是指晶体中相邻的离子沿反平行方向发生自发极化，宏观上自发极化为零且无电滞回线的材料不同点：1.在反铁电体的晶格中，离子有自发极化，以偶极子形式存在，偶极子成对的按反平行方向排列，这两部分偶极子的偶极矩大小相等，方向相反；而在铁电体的晶格中，偶极子的极性是相同的，为平行排列2.反铁电体具有双电滞回线，铁电体具有电滞回线3.当外电场降至零时，反铁电体无剩余极化，铁电体存在剩余计5.声频支与光频支的异同答：相同点：声频支与光频支都是由于一维双原子点阵的振动引起的，且都是独立的格波，频率都与元胞振动频率相同不同点：1.声频支是相邻原子具有相同的振动方向，表示了元胞的质量中心的振动；光频支是相邻两种原子振动方向相反，表示了元胞的质量中心维持不同，因而引起了一个范围很小，频率很高的振动2.声频支是低温下的格波，频率小影响范围广，是同一类原子不同晶胞之间相互振动引起的；光频支是晶体熔融温度下的格波，频率高，影响范围小，是不同类原子同一晶胞之间相互振动引起的。
铁电体的第一性原理研究进展
详细描述
铁电体的第一性原理研究具有重要的意义，它可以帮 助我们深入理解铁电体的电子结构、极化机制和物理 性能。通过第一性原理计算，我们可以获得铁电体的 能带结构、态密度、电荷分布等重要信息，从而更好 地理解其铁电效应的来源和机制。此外，第一性原理 研究还可以为新型铁电材料的设计和开发提供理论支 持，促进铁电材料在电子器件、能源存储、催化等领 域的应用。
详细描述
密度泛函理论通过将多电子系统的薛定谔方程近似为单电子近似，将复杂的电 子相互作用简化为密度与能量的关系，从而能够准确地计算分子的电子结构和 物理性质。
广义梯度近似
总结词
广义梯度近似是一种用于计算固体材 料的电子结构和物理性质的方法。
详细描述
广义梯度近似考虑了电子密度的空间 变化，能够更准确地描述电子的相互 作用和能量差分关系，相对于局域密 度近似具有更高的精度和适用范围。
详细描述
第一性原理计算是一种基于量子力学原理的计算方法，它通过求解薛定谔方程来获得原子尺度的物理 性质和化学反应过程。这种方法不需要实验参数，只需要元素的种类和原子间的相互作用力即可进行 计算。第一性原理计算在材料科学、化学、物理学等领域中有着广泛的应用。
研究目的与意义
总结词
铁电体的第一性原理研究旨在深入理解其电子结构、 极化机制和物理性能，为新型铁电材料的设计和开发 提供理论支持。
02
深入研究铁电材料的微观结构和物理机制，揭示其本质规律和
性能调控机制。
开展跨学科合作，整合不同领域的资源和优势，共同推动铁电
03
材料的研究和应用。
THANKS
感谢观看
详细描述
通过第一性原理计算，可以精确地描述铁电体的电子结构，包括能级分布、电子 态密度等，从而揭示铁电体的本征性质和内在机制。
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。
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Materials Physics Properties
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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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Materials Physics Properties
18
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Materials Physics Properties
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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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铁电体定义、特征和基础知识
是否有对称中心
根据铁电体在非铁电相有无对称中心亦可 分为两类。一类铁电体在其顺电相的晶体 结构不具有对称中心，因而有压电效应。 如钽铌酸锂、罗息盐、KDP族晶体。另一 类铁电体，其顺电相的晶格结构具有对称 中心，因而不具有压电效应，如钛酸钡、 铌酸钾以及它们的同类型晶体。这种分类 方法便于铁电相变的热力学处理。
3
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。
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Spontaneous polarization of BaTiO3
19
Dielectric constant of BaTiO3
20
21
22
钛酸钡晶体的自发畸变与温度的关系
23
24
KDP晶体的自发极化强度与温度的关系
25
KDP晶体的介电常数与温度的关系
26
KDP的定压比热与温度的关系
27
KDP晶体的压电常数d36与温度的关系
28
TGS晶体的自发极化强度与温度的关系
29
TGS晶体的起始介电常数与温度的关系
30
TGS的定压比热与温度的关系
31
罗息盐晶体的自发极化强度与温度的关系
32
罗息盐晶体的介电常数与温度的关系
33
RS晶体的弹性柔顺常数S44与温度的关系
9-9铁电体 压电体 永电体
永电体
永电体（驻极体） 3. 永电体（驻极体）
永电体： 外界条件撤去后，能长期保留其极化状态， 永电体： 外界条件撤去后，能长期保留其极化状态， 且不受外电场的影响的一类电介质。 且不受外电场的影响的一类电介质。 永电体的制备方法： 永电体的制备方法： 热驻极法、电驻极法、光和磁驻极法等 热驻极法、电驻极法、 永电体的应用： 永电体的应用： 永电体换能器（传感器）。 永电体换能器（传感器）。
铁电体
电滞现象与电滞回线（以钛酸钡为例） 电滞现象与电滞回线（以钛酸钡为例）
t > 120 C
o
P
t < 120 C
o
P
Pr
B
Ps
A
o
E
Ps
C
o
Pr
E
D
温度较高时， 温度较高时，电极 化强度与电场强度 成正比。 成正比。
温度较低时， 温度较低时，电极化强度与 电场强度不成正比， 电场强度不成正比，而是滞 后于电场强度的变化， 后于电场强度的变化，形成 电滞回线。 电滞回线。
§9-9 铁电体 压电体 永电体
1. 铁电体
铁电性： 电极化规律具有复杂的非线性，并且撤 铁电性： 电极化规律具有复杂的非线性， 去外场后能保留剩余极化， 去外场后能保留剩余极化，这种性质叫 铁电性。 铁电性。 铁电体： 具有铁电性的电介质，如钛酸钡陶瓷、 铁电体： 具有铁电性的电介质，如钛酸钡陶瓷、酒 石酸钾钠单晶。 石酸钾钠单晶。
永电体
永电体（驻极体） 3. 永电体（驻极体）
永电体： 外界条件撤去后，能长期保留其极化状态， 永电体： 外界条件撤去后，能长期保留其极化状态， 且不受外电场的影响的一类电介质。 且不受外电场的影响的一类电介质。 永电体的制备方法： 永电体的制备方法： 热驻极法、电驻极法、光和磁驻极法等 热驻极法、电驻极法、 永电体的应用： 永电体的应用： 永电体换能器（传感器）。 永电体换能器（现象： 某些离子型晶体的电介质， 压电现象： 某些离子型晶体的电介质，由于结晶点 阵的有规则分布，当发生机械变形时， 阵的有规则分布，当发生机械变形时， 能产生电极化现象，称为压电现象。 能产生电极化现象，称为压电现象。 电致伸缩： 晶体在带电或处于电场中时，其大小发 电致伸缩： 晶体在带电或处于电场中时， 生变化，即伸长或缩短， 生变化，即伸长或缩短，是压电现象的 逆现象。 逆现象。 压电现象和电致伸缩的应用： 压电现象和电致伸缩的应用： 压电现象可用来变机械振动为电振荡， 压电现象可用来变机械振动为电振荡，电致 伸缩可变电振荡为机械振动。 伸缩可变电振荡为机械振动。
高二物理竞赛课件电路的铁电性基础
➢极化强度反向是电畴反转的结果，所以电滞
回线表明铁电体中存在电畴。
➢所谓电畴就是铁电体中自发极化方向一致的
小区域，电畴与电畴之间的边界称为畴壁。
➢铁电晶体通常多电畴体，每个电畴中的自发
极化具有相同的方向，不同电畴中自发极化 强度的取向间存在着简单的关系。
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主要特征
➢电滞回线hysteresis loop ➢居里温度Curie temperature c ➢介电反常Dielectric anomalous
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电滞回线 hysteresis loop
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➢自发极化Ps ➢剩余极化Pr ➢矫顽电场Ec
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Sawyer-Tower 电路
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➢电滞回线表明，铁电体的极化强度与外电场
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
电路的铁电性基础
1
➢什么是铁电体， ➢开关特性，Sawyer-Tower 电路 ➢铁电体主要特征 ➢典型的铁电材料的主要物理性质 ➢铁电材料的分类， ➢反铁电体
2
基本定义
➢具有自发极化强度（Ps）Spontaneous Polarization
➢自发极化强度能在外加电场下反转, Switchable Ps
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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。
有机铁电体
有机铁电体
有机铁电体是一种具有铁电性质的有机材料，其分子结构中含有极性分子基团，可在电场作用下产生电偶极矩并改变分子构象。
有机铁电体具有许多优良的性能特点，如高电场响应速度、低工作电压、可撤销的电极化等，因此在电子器件领域有广泛的应用前景。
目前，有机铁电体的合成、性能表征和应用研究已成为国际学术界研究的热点之一。
未来，随着相关技术的不断发展和完善，有机铁电体在电子器件、传感器等领域的应用前景将更加广阔。
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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。
至今已经发现的铁电晶体有一千多种。 它们广泛地分布于从立方晶系到单斜晶系 的10个点群中。 它们的自发极化强度从10-4C/m2到 1C/m2；它们的居里点有的低到-261.5C （酒石酸铊锂），有的高于1500C。
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表6-1给出了部分铁电晶体的分子式、居里 点和自发极化强度。 对于晶格结构和特性差异如此之大的各种 铁电体，要对它们做完善的统一分类是不 容易的。 到目前。
铁电体定义、特征和基础知识
1
➢什么是铁电体， ➢开关特性，Sawyer-Tower 电路 ➢铁电体主要特征 ➢典型的铁电材料的主要物理性质 ➢铁电材料的分类， ➢反铁电体
2
基本定义
➢具有自发极化强度（Ps） Spontaneous Polarization
➢自发极化强度能在外加电场下反转, Switchable Ps
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单轴铁电体，多轴铁电体
根据铁电体的极化轴的多少分为两类。一 类是只能沿一个晶轴方向极化的铁电体， 如罗息盐以及其它酒石酸盐，磷酸二氢钾 型铁电体，硫酸铵以及氟铍酸铵等。另一 类是可以沿几个晶轴方向极化的铁电体 （在非铁电相时这些晶轴是等效的），如 钛酸钡、铌酸钾、钾铵铝矾等。这种分类 方法便于研究铁电畴。
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KDP晶体的压电常数d36与温度的关系
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TGS晶体的自发极化强度与温度的关系
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TGS晶体的起始介电常数与温度的关系
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TGS的定压比热与温度的关系
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罗息盐晶体的自发极化强度与温度的关系
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罗息盐晶体的介电常数与温度的关系
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RS晶体的弹性柔顺常数S44与温度的关系
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铁电晶体的分类
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Spontaneous polarization of BaTiO3
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Dielectric constant of BaTiO3
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钛酸钡晶体的自发畸变与温度的关系
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KDP晶体的自发极化强度与温度的关系
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KDP晶体的介电常数与温度的关系
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KDP的定压比热与温度的关系
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居里-外斯定律Curie-Weiss law
当温度高于居里点时，铁电体的介电常数与 温度的关系服从居里-外斯定律：
C 0
式中：C为居里-外斯常数；为绝对温度； 0为顺电居里温度，或称居里-外斯温度。
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几种典型铁电体的性质
BaTiO3，钛酸钡 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
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是否有对称中心
根据铁电体在非铁电相有无对称中心亦可分 为两类。一类铁电体在其顺电相的晶体结构 不具有对称中心，因而有压电效应。如钽铌 酸锂、罗息盐、KDP族晶体。另一类铁电 体，其顺电相的晶格结构具有对称中心，因 而不具有压电效应，如钛酸钡、铌酸钾以及 它们的同类型晶体。这种分类方法便于铁电 相变的热力学处理。
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Domain in ceramic samples
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居里温度 （c,Tc）
当晶体从高温降温经过c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c时，晶体不具有铁电性， 温度低于c时，晶体呈现出铁电性。通常认 为晶体的铁电结构是由其顺电结构经过微小 畸变而得，所以铁电相的晶格对称性总是低 于顺电相的对称性。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。
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成分和结构
根据晶体成分和结构特征，可把铁电晶体分 成两类。一类是含有氢键的晶体，如KDP 族、TGS、罗息盐等。这类晶体的特点是可 溶于水、力学性质软、居里点温度低、溶解 温度低，常称“软”铁电体。另一类是双氧 化物晶体，如钛酸钡、铌酸锂等晶体。它们 的特点是不溶于水、力学性质硬、居里点温 度高、溶解温度高，常称为“硬”铁电体。
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居里-外斯常数
按居里-外斯常数的大小分类（参照图6-4）， 这种分类法有利于研究铁电体的相变机制。 居里-外斯常数C 大约在105数量级的为第一 类。这类铁电体的微观相变机制属于位移型， 它主要包括钛酸钡等氧化物型铁电体。近来 发现的SbSI是这一类中的唯一例外，它不是 氧化物。
4
主要特征
➢电滞回线hysteresis loop ➢居里温度Curie temperature c ➢介电反常Dielectric anomalous
5
电滞回线 hysteresis loop
6
7
➢自发极化Ps ➢剩余极化Pr ➢矫顽电场Ec
8
Sawyer-Tower 电路
9
➢电滞回线表明，铁电体的极化强度与外电场
之间呈现非线性关系，而且极化强度随外电 场反向而反向。
➢极化强度反向是电畴反转的结果，所以电滞
回线表明铁电体中存在电畴。
➢所谓电畴就是铁电体中自发极化方向一致的
小区域，电畴与电畴之间的边界称为畴壁。
➢铁电晶体通常多电畴体，每个电畴中的自发
极化具有相同的方向，不同电畴中自发极化 强度的取向间存在着简单的关系。
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介电反常：临界特征
铁电体的介电性质、弹性性质、光学性质和 热学性质等在居里点附近都要出现反常现象， 其中研究的最充分的是“介电反常”。因为 铁电体的介电性质是非线性的，介电常数随 外加电场的大小而变，所以一般用电滞回线 中在原点附近的斜率来代表铁电体的介电常 数，实际测量介电常数时外加电场很小。大 多数铁电体的介电常数在居里点附近具有很 大的数值，其数量级可达，104-105，此即 铁电体在临界温度的“介电反常”。