铁电材料及其应用ppt课件
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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
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ຫໍສະໝຸດ Baidu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)
.
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
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
.
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
.
时间 1824 1921 1935 1944
1949 1951 1964 1977 1993
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
•
•
.
铁电薄膜的电性能
• 介电性 • 压电性 • 热释电性 • 铁电性
.
介电性
.
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。
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
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
.
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。
.
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)
.
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
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
.
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。
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
.
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
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
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ຫໍສະໝຸດ Baidu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)
.
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
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
.
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
.
时间 1824 1921 1935 1944
1949 1951 1964 1977 1993
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
.
介电性
.
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。
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
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
.
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
+
-
+
+++++
-
-
+
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- -+ - - -
+++++
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-
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。
.
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)
.
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
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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• °
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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
.
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。
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