铁电材料及其应用ppt课件
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第二章钢铁材料及应用精品PPT课件
一、 概述
1、钢的分类
碳素钢
按化学成分分：
合金钢
低C wC 0.25% 中C wC = 0.25~0.6% 高C wC 0.6%
低合金 wMe 5% 中合金 wMe =5~10% 高合金 wMe 10%
碳钢：价格低，但力学性能低，淬透性低，回火抗力 差，耐热、耐低温、耐蚀等性能差。
合金钢 ：在C钢中加入某些合金元素而成
旧钢号
09MnNb 12Mn 16Mn
16MnRe 16MnNb 15MnTi 14MnVTiRe 15MnVN 14MnMoV 18MnMoNb
主 要 化 学 成 分，%
C
Mn Si，
0.16
0.80 ~1.50
0.55
0.18 1.00 ~0.20 ~1.60
0.55
0.20
1.00 ~1.60
235
215
195
185
பைடு நூலகம்375-460 26
24
22
21
－/20 0/-20
－/27
Q255 A/B 255 235 215 205 410-510 24 22 20 19 －/20 －/27
Q275 － 275 255 235 225 490-610 20 18 16 15 －
－
碳素结构钢 新、老标准钢号对照
1'～2：Ld
共晶白口铸铁 结晶过程
2～2'： LdLd’
( AP )
2'点以下： Ld’
+
（P + Fe3CII + 共晶 Fe3C ）
+
+
Ⅱ
Ⅱ
室温组织:
Ⅲ
介电和铁电基础及应用汇总.ppt.
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。
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
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。
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”。
材料铁电性能的测量课件
02
铁电材料在一定温度范围内表现 出明显的铁电效应，即自发极化 随着温度的升高而降低，反之亦然。
铁电材料的特性
01
02
03
电滞回线
铁电材料具有显著的电滞 回线，即其介电常数和极 化强度随外加电场的变化 而发生非线性变化。
热释电效应
当铁电材料受到温度变化 时，其自发极化强度会发 生变化，产生热释电电流。
铁电测试仪通常采用交流测量方法，通过在材料上施加一定频率和幅度的交流电信 号，测量材料的响应信号，从而计算出材料的铁电性能参数。
铁电测试仪具有高精度、高稳定性和可重复性的特点，是研究材料铁电性能的重要 工具。
示波器
示波器是一种常用的电子测量仪 器，它可以用来观察和测量各种
信号的波形和参数。
在测量材料铁电性能时，示波器 可以用来观察和记录材料的电响 应信号，帮助研究者了解材料的
压电效应
在铁电材料中，自发极化 强度随外力作用而发生改 变，从而产生压电电压。
铁电材料的应用
传感器
利用铁电材料的压电效应 和热释电效应，可以制作 出高灵敏度、高分辨率的 传感器。
存储器
铁电材料具有非易失性的 电滞回线，可以用于制作 铁电随机存储器（FRAM）。
换能器
利用铁电材料的压电效应 和热释电效应，可以制作 出高效能的换能器。
在传感器领域的应用
总结词
铁电材料在传感器领域的应用主要涉及压力传感器和振动传感器。
详细描述
由于铁电材料的压电效应，它们可以用于制造高灵敏度、低噪声和宽频带压力传 感器和振动传感器。这些传感器广泛应用于航空航天、汽车、机械和医疗等领域， 用于监测压力、振动和声学信号，并进行相应的控制和调节。
2023
总结词
铁电材料在一定温度范围内表现 出明显的铁电效应，即自发极化 随着温度的升高而降低，反之亦然。
铁电材料的特性
01
02
03
电滞回线
铁电材料具有显著的电滞 回线，即其介电常数和极 化强度随外加电场的变化 而发生非线性变化。
热释电效应
当铁电材料受到温度变化 时，其自发极化强度会发 生变化，产生热释电电流。
铁电测试仪通常采用交流测量方法，通过在材料上施加一定频率和幅度的交流电信 号，测量材料的响应信号，从而计算出材料的铁电性能参数。
铁电测试仪具有高精度、高稳定性和可重复性的特点，是研究材料铁电性能的重要 工具。
示波器
示波器是一种常用的电子测量仪 器，它可以用来观察和测量各种
信号的波形和参数。
在测量材料铁电性能时，示波器 可以用来观察和记录材料的电响 应信号，帮助研究者了解材料的
压电效应
在铁电材料中，自发极化 强度随外力作用而发生改 变，从而产生压电电压。
铁电材料的应用
传感器
利用铁电材料的压电效应 和热释电效应，可以制作 出高灵敏度、高分辨率的 传感器。
存储器
铁电材料具有非易失性的 电滞回线，可以用于制作 铁电随机存储器（FRAM）。
换能器
利用铁电材料的压电效应 和热释电效应，可以制作 出高效能的换能器。
在传感器领域的应用
总结词
铁电材料在传感器领域的应用主要涉及压力传感器和振动传感器。
详细描述
由于铁电材料的压电效应，它们可以用于制造高灵敏度、低噪声和宽频带压力传 感器和振动传感器。这些传感器广泛应用于航空航天、汽车、机械和医疗等领域， 用于监测压力、振动和声学信号，并进行相应的控制和调节。
2023
总结词
LB61_铁电基础PPT课件
41
图6-4： 铁电体按居 里-外斯常数 分类表
42
量子顺电体 Quantum Paraelectrics
先兆性铁电体 Incipient Ferroelectrics 代表性材料：SrTiO3， 其它有： CaTiO3 ， KTaO3 主要特点：介电常数随温度减低而增大，
在低温区出现一个平台，整个温度区间 没有铁电性。 有出现铁电性的先兆；可能是量子涨落造 成低温区不出现铁电性。
➢钛酸铋钠 (Na1/2Bi1/2)TiO3，A-位复合
钙钛矿结构
➢其它材料：钨青铜结构(tungsten
bronze)
47
Kighelman, Damjanov and N Setter, J Appl Phys 90(2001) 464884
G A Smolenski, J Phys Soc Jpn 28Supl (1970) 2649
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
18
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
图6-4： 铁电体按居 里-外斯常数 分类表
42
量子顺电体 Quantum Paraelectrics
先兆性铁电体 Incipient Ferroelectrics 代表性材料：SrTiO3， 其它有： CaTiO3 ， KTaO3 主要特点：介电常数随温度减低而增大，
在低温区出现一个平台，整个温度区间 没有铁电性。 有出现铁电性的先兆；可能是量子涨落造 成低温区不出现铁电性。
➢钛酸铋钠 (Na1/2Bi1/2)TiO3，A-位复合
钙钛矿结构
➢其它材料：钨青铜结构(tungsten
bronze)
47
Kighelman, Damjanov and N Setter, J Appl Phys 90(2001) 464884
G A Smolenski, J Phys Soc Jpn 28Supl (1970) 2649
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
18
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
介电和铁电基础及应用汇总.ppt.
K A Muller, Jpn J Appl Phys 24 (1985) 24-2, pp.89-93
Quantum Para- , Ferro-, and Random Electric Behaviors in Oxide Perovskites
铁电弛豫体 ferroelectric relaxor
居里温度 （ Tc,c）
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。
具有反演对称中心的晶体无压电效应
无反演对称中心的石英晶体有压电效应
第六节 压电材料-2
+
压电ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ必须是离子晶体或离子团组成的分子
第六节 压电材料-3
三、压电材料主要工程参数 1、机械品质因素 压电振子：具有一定取向和形状的压电晶片具有固有的机械谐振频率。 当外电场的频率与其一致时，由于逆压电效应会产生机械谐振。这种 晶片称压电振子。 压电振子在谐振子时，会产生内耗，造成机械能损失，反映这种机械能损 耗程度的参数为机械品质因数Qm，定义为：
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。
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
铁电陶瓷材料介绍及其应用PPT(22张)
•
10、有些事想开了，你就会明白，在世上，你就是你，你痛痛你自己，你累累你自己，就算有人同情你，那又怎样，最后收拾残局的还是要靠你自己。
•
11、人生的某些障碍，你是逃不掉的。与其费尽周折绕过去，不如勇敢地攀登，或许这会铸就你人生的高点。
•
12、有些压力总是得自己扛过去，说出来就成了充满负能量的抱怨。寻求安慰也无济于事，还徒增了别人的烦恼。
•
2、身材不好就去锻炼，没钱就努力去赚。别把窘境迁怒于别人，唯一可以抱怨的，只是不够努力的自己。
•
3、大概是没有了当初那种毫无顾虑的勇气，才变成现在所谓成熟稳重的样子。
•
4、世界上只有想不通的人，没有走不通的路。将帅的坚强意志，就像城市主要街道汇集点上的方尖碑一样，在军事艺术中占有十分突出的地位。
•
• pi ----热释电系数, 单位: C/m2.K
• 大多数晶体的Ps随温度 的增加而下降,热释点 系数为负
• 在热释电体中, 高度极化状态, Ps 很高, 外场难以改变Ps方向
• 少数, 在 E 作用下 Ps 可重新定向----铁电体
• 铁电体 (Ferroelectrics) : Ps
•
E Ps 重行定向-----铁电体的最重要判
第一章 铁电陶瓷材料及应用
Developmental History of Ferroelectrics
1940s Birth of ferroelectric ceramics (BaTiO3) 1950s PZT piezoelectric ceramics developed
PTC effect in BaTiO3 ceramics 1960s Transparent electro-optic PLZT ceramics 1970s The engineered ferroelectric cpmposites 1980s PMN relaxor ceramics
第四章 铁电晶体ppt课件
• 当电场反向达到-Ec时，剩余极化全部消失。反向电 场继续增大，极化强度才开始反向。Ec——矫顽电场 强度。 如果Ec大于晶体的击穿场强，那么在极化强度反 向前，晶体已被击穿。 • 将BC段线性部分反向延长至E=0时，在纵轴P上的截 距——饱和极化强度或自发极化强度Ps。
• 实际上Ps是原来每个单畴的自发极化强度，是对每个 单畴而言的。 • 电场减低时，部分电畴由于晶体内应力的作用偏离了 极化方向。但当E=0时，大部分电畴仍停留在极化方 向，因而宏观上还有剩余极化强度。由此，剩余极化 强度Pr是对整个晶体而言。
P是E的多值函数
居里点Tc T>Tc,自发极化消失
B是H的多值函数
居里点Tc 高于居里点,自发磁化消失
2. 观测电滞回线原理图—Sawyer电路
大容量电容器C0与试验样品Cx串联，由跨接样品的 交变电压来测量试验样品Cx上的贮存电荷。 阴极射线示波器所示： 纵坐标方向极化强度P；横坐标方向试样上的场强E
静态条件下无法测量自发极化，其原因：
• 具有自发极化的晶体，会在晶体内部、外部建立电 场，其场强取决于晶体的自发极化强度。
• 自发极化所建立的电场吸引晶体内部或外部空间的 异号自由电荷，在晶体的表面形成一个表面电荷层。 自发极化所产生的表面束缚电荷被外部的自由电荷 所屏蔽，束缚电荷建立的电场被抵消了。 • 因此，由自发极化引起的电场强度无法测量。 • 判断铁电晶体铁电性的依据——有无电滞回线。
畴壁 (domain wall) ——分隔相邻电畴的界面。 • 铁电晶体作为一整体并不呈现极性。从能量角度分析， 如果晶体内偶极子全部同方向排列，周围空间将储存相 当大的静电能量——不稳定状态； • 形成电畴时，电畴的大小、数量由静电能的减少与畴 壁能的增加保持均衡来决定。
铁电材料ppt课件
2
铁电体的定义
❖ 铁电体的定义：指在温度范围内具有自发极 化且极化强度可以因外电场而反向的晶体。
❖ 铁电体具有很多电畴且具有电滞回线。因此， 凡具有电畴和电滞回线的介电材料就称为铁 电体。
❖ 铁电体的晶体并不含有铁，铁电体常被称为 息格毁特晶体。
3
铁电体的主要特征值
1. 自发极化 2. 电 畴 3. 电滞回线 4. 居里温度 5. 介电反常
，擦写次数低,写数据功耗大等缺点。
16
FeRAM器件结构
17
铁电存储器（MFSFET）
MFS(Metal Ferroelectric –Semiconductor )FET
在MOS中用铁电薄膜（F） 代替二氧化硅栅氧化物薄 膜（O）构成MFSFET场 效应管
由于极化滞后，漏电流展 现两种状态：开，关
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）
பைடு நூலகம்
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
12
铁电材料的历史发展和现状
小型 化 铁电软膜理论
热力学理论
发现铁电性
铁电薄膜及器件
钙钛矿时期
KDP时期
罗息盐的发现
13
Company Logo
（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；
铁电体的定义
❖ 铁电体的定义：指在温度范围内具有自发极 化且极化强度可以因外电场而反向的晶体。
❖ 铁电体具有很多电畴且具有电滞回线。因此， 凡具有电畴和电滞回线的介电材料就称为铁 电体。
❖ 铁电体的晶体并不含有铁，铁电体常被称为 息格毁特晶体。
3
铁电体的主要特征值
1. 自发极化 2. 电 畴 3. 电滞回线 4. 居里温度 5. 介电反常
，擦写次数低,写数据功耗大等缺点。
16
FeRAM器件结构
17
铁电存储器（MFSFET）
MFS(Metal Ferroelectric –Semiconductor )FET
在MOS中用铁电薄膜（F） 代替二氧化硅栅氧化物薄 膜（O）构成MFSFET场 效应管
由于极化滞后，漏电流展 现两种状态：开，关
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）
பைடு நூலகம்
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
12
铁电材料的历史发展和现状
小型 化 铁电软膜理论
热力学理论
发现铁电性
铁电薄膜及器件
钙钛矿时期
KDP时期
罗息盐的发现
13
Company Logo
（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；
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O&C&F D
E
.
Sawyer & Tower 电路
改进型的Sawyer & Tower 电路
.
因为Cx和C0是串联的，故两个电容器上的电 荷是一样多的，即：
Qx =Qc=Q
因为样品的有效面积A和电容C是 已知的，A/C为常数 故U2与电位移D成正比。对于压电 陶瓷，εr>>1，故D≌P， 因此U2与P成正比
较高温度时，钛离子热振动能较大，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。
• • °• •
•
•
• °
•
•
.
• 较低温度时，钛离子热振动能降低，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，有可能偏离平衡位置向某一个
.
逆压电效应 机械能 压电介质 电能
正压电效应
压电效应及可逆性
.
压电效应的物理机制
(1)压电单晶—典型 代表石英晶体
晶体内部正负离子的偶极矩在外力的 作用下由于晶体的形变而被破坏，导 致使晶体的电中性被破坏，从而使其 在一些特定的方向上的晶体表面出现 剩余电电荷而产生的。
x
x
x
x
y
y
y
(a)
(b)
不产生热释电效应
联系 虽然温度变化引起晶体胀缩 无方向性，但是由于自发极 化偶极矩的存在使热释电晶
体具有压电效应
.
铁电性
电畴的概念 畴：原子或离子有序排列的区域，畴与畴之间的边界叫做畴壁。
.
E
.
90°畴壁 180°畴壁
.
自发极化 剩余极化 C 矫顽电场
D
B
A
F O
E
.
C D
B
F O
E
A A B
事件 在罗息盐中发现热释电性 发现罗息盐具有铁电性
提出反铁电体概念 研制出铁电半导体(PTC)器件
研制出铁电薄膜 铁电薄膜和硅技术结合
人物 Brewster Valasek
Busch
Devonshire
.
铁电薄膜的晶体结构及自发极化
氧八面体排列
原胞
.
钛酸钡晶体及自发极化
钛酸钡的氧八面体结构
.
立方晶相：a = b = c， α = γ= β = 90° 四方晶相：a = b ≠ c， α = γ = β = 90° 正交晶相： a ≠ b ≠ c α = γ= β = 90° 三角晶相：a = b = c α = γ = β ≠ 90°
C
TTc C：居里－外斯常数；Tc：居里－外斯温度
.
铁电薄膜的应用
• 声表面滤波器(Surface Acoustic Wave Filter) • SAW换能器 • 热释电探测器 • 存储器
.
声表面滤波器(Surface Acoustic Wave Filter)
压电基片 吸声材料 声表面滤波器的一般结构示意图
铁电相
－90±9 ℃
正交相
铁电相 三方相
.
临界特性
• 晶体在发生顺电-铁电相变或其它极化状态发生变化 的结构相变时，晶体的一系列物理性质发生反常变 化。例如晶体的介电性质、弹性、压电性、光学性 质、热学性质等大都出现明显的变化。晶体在相变 点附近发生的各种性能反常变化通称为临界现象。
顺电相的介电常数遵循居里－外斯定律
铁电材料及其应用
.
目录
• 引言 • 铁电薄膜的晶体结构 • 铁电薄膜的电性能 • 铁电薄膜的应用 • 总结
.
什么是铁电材料？
铁
磁
铁
体
电
体
具有自发磁化 的现象
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压电材料和铁电材料
压电材料：机械能与电能相互转换的功 能材料。 铁电材料：具有压电效应材料中， 能自发极化的一类材料。
在晶体中，如果晶胞中正负电荷中心不重合， 即每一个晶胞具有一定的固有偶极矩，由于 晶体结构的周期性和重复性，晶胞的固有偶 极矩便会沿同一方向排列整齐，使晶体处于 高度极化状态。这种在无外电场作用下存在 的极化现象称为自发极化
.
电容器上的电压U2接到示波器的垂直致偏 电极上，垂直幅度Uy与电压U2成正比，也就 是说，示波器垂直幅度与电位移D（或极化 强度P）成正比。
水平致偏电极则接到电位器W的滑动接点上， 由于C>>Cx，故U>>U1，因此水平致偏电极之 间的水平幅度电压Ux正比于试样两端的电压 U1，而试样两端的电场强度E=U1/d，因此在 示波器上可以观察到P-E（或D-E）曲线，即 电滞回线。
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居里温度：铁电－顺电转变温度
• 当温度高于某一数值时，由于热扰动， 自发极化变为零，晶体将不再具备铁电 性，这一临界温度就称为居里温度Tc。
• 在居里点以下，由于存在自发极化，晶 体呈现铁电性，为铁电相。居里电以上， 材料为顺电相。 BaTiO3的例子：
顺电相
120℃
立方相
铁电相
0±5 ℃
四方相
氧离子靠近，偶极矩间的相互作用使偏离平衡位置的离子在新平衡位置上固
定下来，并使这一氧离子出现强烈极化，发生自发极化，使晶体顺着该方向
延长，晶胞发生轻微畸变，由立方变为四方晶体。
•• °••
•
•
• °
图B
•
•
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铁电薄膜的电性能
• 介电性 • 压电性 • 热释电性 • 铁电性
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介电性
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压电性
压电效应：当晶体受到机械力的作用时，表面将产生束缚电荷，电荷密 度的大小和所受到的机械力成线性关系，这种由机械力产生电效应的过 程称之为压电效应。
(c)
.
y
(d)
逆压电效应和电致伸缩效应的区别
与逆压电效应的区别
S
电致伸缩效应
逆压电效应
E
.
热释电性
热释电性：由于温度的变化，晶体出现结构上的电荷中心相对位移， 使自发极化强度发生变化，从而在两端产生异号的束缚电荷，这种现 象称之为热释电性
压电体和热释电体的区别和联系
区别 因为温度变化引起晶体胀缩 无方向性，因此由政府电荷 中心位移产生的压电晶体并
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自发极化的微观机制
极轴导致自发极化 热运动引起的自发极化 有序无序型极化
.
极性轴导致的自发极化
+
-
+
+++++
-
-
+
+
- -+ - - -
+++++
-
-
正
电+
荷-
与
-
固
-
极 化 轴
C
负
有
电+ + 偶 +
荷- - 极 -
层
子
交
替+ +
+
排-
列
.
-
由热运动导致的自发极化
氧八面体空腔体积大于钛离子体积，给钛离子位移的余地。
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一般介电材料
压电材料
压电材料
热释电材料
热释电材料
铁电材料
压电材料
铁电材料的发展历史和现状
➢ 罗息盐时期—发现铁电性 ➢ KDP时期—热力学理论 ➢ 钙钛矿时期—软模理论 ➢ 铁电薄膜及其器件时期—小型化
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时间 1824 1921 1935 1944
1949 1951 1964 1977 1993
E
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Sawyer & Tower 电路
改进型的Sawyer & Tower 电路
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因为Cx和C0是串联的，故两个电容器上的电 荷是一样多的，即：
Qx =Qc=Q
因为样品的有效面积A和电容C是 已知的，A/C为常数 故U2与电位移D成正比。对于压电 陶瓷，εr>>1，故D≌P， 因此U2与P成正比
较高温度时，钛离子热振动能较大，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。
• • °• •
•
•
• °
•
•
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• 较低温度时，钛离子热振动能降低，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，有可能偏离平衡位置向某一个
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逆压电效应 机械能 压电介质 电能
正压电效应
压电效应及可逆性
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压电效应的物理机制
(1)压电单晶—典型 代表石英晶体
晶体内部正负离子的偶极矩在外力的 作用下由于晶体的形变而被破坏，导 致使晶体的电中性被破坏，从而使其 在一些特定的方向上的晶体表面出现 剩余电电荷而产生的。
x
x
x
x
y
y
y
(a)
(b)
不产生热释电效应
联系 虽然温度变化引起晶体胀缩 无方向性，但是由于自发极 化偶极矩的存在使热释电晶
体具有压电效应
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铁电性
电畴的概念 畴：原子或离子有序排列的区域，畴与畴之间的边界叫做畴壁。
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E
.
90°畴壁 180°畴壁
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自发极化 剩余极化 C 矫顽电场
D
B
A
F O
E
.
C D
B
F O
E
A A B
事件 在罗息盐中发现热释电性 发现罗息盐具有铁电性
提出反铁电体概念 研制出铁电半导体(PTC)器件
研制出铁电薄膜 铁电薄膜和硅技术结合
人物 Brewster Valasek
Busch
Devonshire
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铁电薄膜的晶体结构及自发极化
氧八面体排列
原胞
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钛酸钡晶体及自发极化
钛酸钡的氧八面体结构
.
立方晶相：a = b = c， α = γ= β = 90° 四方晶相：a = b ≠ c， α = γ = β = 90° 正交晶相： a ≠ b ≠ c α = γ= β = 90° 三角晶相：a = b = c α = γ = β ≠ 90°
C
TTc C：居里－外斯常数；Tc：居里－外斯温度
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铁电薄膜的应用
• 声表面滤波器(Surface Acoustic Wave Filter) • SAW换能器 • 热释电探测器 • 存储器
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声表面滤波器(Surface Acoustic Wave Filter)
压电基片 吸声材料 声表面滤波器的一般结构示意图
铁电相
－90±9 ℃
正交相
铁电相 三方相
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临界特性
• 晶体在发生顺电-铁电相变或其它极化状态发生变化 的结构相变时，晶体的一系列物理性质发生反常变 化。例如晶体的介电性质、弹性、压电性、光学性 质、热学性质等大都出现明显的变化。晶体在相变 点附近发生的各种性能反常变化通称为临界现象。
顺电相的介电常数遵循居里－外斯定律
铁电材料及其应用
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目录
• 引言 • 铁电薄膜的晶体结构 • 铁电薄膜的电性能 • 铁电薄膜的应用 • 总结
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什么是铁电材料？
铁
磁
铁
体
电
体
具有自发磁化 的现象
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压电材料和铁电材料
压电材料：机械能与电能相互转换的功 能材料。 铁电材料：具有压电效应材料中， 能自发极化的一类材料。
在晶体中，如果晶胞中正负电荷中心不重合， 即每一个晶胞具有一定的固有偶极矩，由于 晶体结构的周期性和重复性，晶胞的固有偶 极矩便会沿同一方向排列整齐，使晶体处于 高度极化状态。这种在无外电场作用下存在 的极化现象称为自发极化
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电容器上的电压U2接到示波器的垂直致偏 电极上，垂直幅度Uy与电压U2成正比，也就 是说，示波器垂直幅度与电位移D（或极化 强度P）成正比。
水平致偏电极则接到电位器W的滑动接点上， 由于C>>Cx，故U>>U1，因此水平致偏电极之 间的水平幅度电压Ux正比于试样两端的电压 U1，而试样两端的电场强度E=U1/d，因此在 示波器上可以观察到P-E（或D-E）曲线，即 电滞回线。
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居里温度：铁电－顺电转变温度
• 当温度高于某一数值时，由于热扰动， 自发极化变为零，晶体将不再具备铁电 性，这一临界温度就称为居里温度Tc。
• 在居里点以下，由于存在自发极化，晶 体呈现铁电性，为铁电相。居里电以上， 材料为顺电相。 BaTiO3的例子：
顺电相
120℃
立方相
铁电相
0±5 ℃
四方相
氧离子靠近，偶极矩间的相互作用使偏离平衡位置的离子在新平衡位置上固
定下来，并使这一氧离子出现强烈极化，发生自发极化，使晶体顺着该方向
延长，晶胞发生轻微畸变，由立方变为四方晶体。
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图B
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铁电薄膜的电性能
• 介电性 • 压电性 • 热释电性 • 铁电性
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介电性
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压电性
压电效应：当晶体受到机械力的作用时，表面将产生束缚电荷，电荷密 度的大小和所受到的机械力成线性关系，这种由机械力产生电效应的过 程称之为压电效应。
(c)
.
y
(d)
逆压电效应和电致伸缩效应的区别
与逆压电效应的区别
S
电致伸缩效应
逆压电效应
E
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热释电性
热释电性：由于温度的变化，晶体出现结构上的电荷中心相对位移， 使自发极化强度发生变化，从而在两端产生异号的束缚电荷，这种现 象称之为热释电性
压电体和热释电体的区别和联系
区别 因为温度变化引起晶体胀缩 无方向性，因此由政府电荷 中心位移产生的压电晶体并
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自发极化的微观机制
极轴导致自发极化 热运动引起的自发极化 有序无序型极化
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极性轴导致的自发极化
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正
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极 化 轴
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负
有
电+ + 偶 +
荷- - 极 -
层
子
交
替+ +
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排-
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由热运动导致的自发极化
氧八面体空腔体积大于钛离子体积，给钛离子位移的余地。
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一般介电材料
压电材料
压电材料
热释电材料
热释电材料
铁电材料
压电材料
铁电材料的发展历史和现状
➢ 罗息盐时期—发现铁电性 ➢ KDP时期—热力学理论 ➢ 钙钛矿时期—软模理论 ➢ 铁电薄膜及其器件时期—小型化
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时间 1824 1921 1935 1944
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