第六章铁电性能和压电性能_材料物理
铁电材料的应用及其性质
铁电材料的应用及其性质铁电材料是一种拥有电极化性能的材料，可以在外加电场的作用下产生极化效应，其具有许多重要的物理特性和应用价值。
铁电材料被广泛应用于电容器、传感器、压电材料、振动器、光伏器件、非易失性存储器等领域。
本文将深入探讨铁电材料的性质及应用。
一、铁电材料的性质1.电极化性能：铁电材料表现出极化现象，它们能够在电场的作用下，在晶体中产生电偶极矩，同时使晶体的电荷分布发生改变。
铁电材料的电极化是由于离子偏移所导致的，离子的偏移可导致电流产生。
经过组合后，可以得到电信号的输出。
2.压电性能：铁电材料具有压电性能，亦即当外力作用于铁电材料时，晶体结构会产生变化，而反过来当外加电场作用于铁电晶体时，也能感受到压力的变化。
其作用的原理是，当材料受到外力的作用时，内部离子的晶格结构也会产生变形，从而产生相应的电信号。
压电传感器就是利用这种原理来实现高精度测量。
3.热释电性能：一些铁电材料还表现出热释电性能。
当这类材料被局部加热时，就会产生电荷，从而产生电信号。
这种特性可用于温度变化传感器，甚至是毒气检测器中。
4.非线性光学性能：铁电材料在非线性光学方面有很出色的表现，可以利用其将光束加工成符号、滤色器和测量仪器的功能。
二、铁电材料的应用1.电容器：由于铁电材料的电极化和解极化响应速度快，它们可用于电容器中，主要用于储存电料以及印刷电路板制作等领域。
2.传感器：由于铁电材料的压电特性，它们可以被用于制作各种类型的传感器，如液体容器液位感应器、汽车摩擦感应器等等。
3.振动器：由于铁电材料的压电特性和极化性能，它们可用于制造各种类型的振动器，如石英晶体振荡器等。
4.光伏器件：铁电材料在光伏器件中的应用越来越广泛。
铁电效应能够使太阳能电池在太阳光照射下提高光电转换效率，而且在成本上也具有一定优势。
5.非易失性存储器：铁电材料的极化状态可以长时间维持，因此它们可以被用于非易失性存储器中。
这种材料可以将电信号转化成二进制代码，从而实现信息存储和检索。
铁电性与压电性PPT课件
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等轴晶系（大于120oC） ： 晶胞常数：a=4.01A 氧离子的半径：1.32A 钛离子的半径： 0.64
钛离子处于氧八面体中， 两个氧离子间的空隙为：4.01－2× 1.32= 1.37 钛离子的直径：2× 0.64= 1。28
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结果： 氧八面体空腔体积大于钛离子体积，给钛离子位移的余地。 较高温度时，热振动能比较大，钛离子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。 温度降低，钛离子平均热振动能降低，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，有可能向某一个氧离子靠近，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，使晶体顺着这个方 向延长，晶胞发生轻微畸变，由立方变为四方晶体。
d:压电常数 逆压电效应的应变与施加的电场强度有如下关系：
S=dE d:压电常数 注：正、逆压电效应的压电常数一样。
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2. 压电材料的性能
（1）机电偶合系数 （2）机械品质因数 （3）频率常数 （4）压电常数 （5）弹性模量、相对介电常数、居里温度等。 介电质的基本性能：介电常数、介电损耗等 特殊应用要求的性能：如：滤波器要求谐振频率稳定性高
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－－－－－－－
+ + ++ + 极化方向
－－－－－－－ + + ++
－－－－－
+ 极化方向
++++++
自+由电荷
－－－－－
－－－－－－－－－－－－
++++++ +
材料物理性能名词解释
铁电性：电偶极子由于它们的相互作用而产生的自发平行排列的现象。
屈服极限：中档应力足够大，材料开始发生塑性变形，产生塑性变形的最小应力。
延展性：指材料受塑性形变而不破坏的能力。
构建的受力模型：拉伸、压缩、剪切、扭转、弯曲塑性形变：指外力移去后不能恢复的形变。
热膨胀：物体的体积或长度随着温度的升高而增加的现象称为热膨胀，本质是点阵结构中质点的平均距离随温度升高而增大。
色散：材料的折射率随入射光频率的减小而减小的性质。
抗热震性：是指材料承受温度的剧烈变化而抵抗破坏的能力。
蠕变：对材料施加恒定应力时。
应变随时间的增加而增加，这种现象叫蠕变。
此时弹性模量也将随时间的增加而减少。
弛豫：对材料施加恒定应变，应力随时间减少的现象，此时弹性模量也随时间而降低。
滞弹性：对于理想弹性固体，作用应力会立即引起弹性形变，一旦应力消除，应变也随之消除。
对于实际固体，这种应变的产生和消除需要一定的时间，这种性质叫滞弹性。
粘弹性：有些材料在比较小的应力作用下可以同时表现出弹性和粘性。
虎克定律：材料在正常温度下，当应力不大时其变形是单纯的弹性变形，应力与应变的关系由实验建立。
晶格滑移：晶体受力时，晶体的一部分相对于另一部分发生平移滑动。
应力：单位面积上所受的内力。
形变：材料在外力作用下，发生形状和大小的变化。
应变：物质内部各质点之间的相对位移。
本征电导：由晶体点阵的基本离子运动引起。
离子自身随热运动离开晶格形成热缺陷，缺陷本身是带电的，可作为离子电导截流子，又叫固有离子电导，在高温下显著。
杂质电导：由固定较弱的离子的运动造成，主要是杂质离子。
在低温下显著。
杂质电导率要比本征电导率大得多。
离子晶体的电导主要为杂质电导。
热电效应：自发极化电矩吸附异性电荷，异性电荷屏蔽自发极化电场而自发极化对温度影响当温度变化时释放出电荷。
极化:在外电场作用下,介质内质点政府电荷重心的分离,并转变为偶极子,即电介质在电场作用下产生感应电荷的现象.自发极化：这种极化状态并非由外加电场所引起而是由晶体内部结构特点所引起。
4.2 材料的压电性与铁电性能
材料的压电性能与铁电性能
石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关。下图是一个单 元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于 z 轴的xy平 面上的投影，等效为一个正六边形排列。 图中“ +” 代表硅离子 Si4+， “-”代表氧离子O2-。
x ＋ － y ＋ o P 1 － ＋ y x F x x A ＋＋ ＋＋ F y y ＋ － P 1－ P 2 P 3 C ＋ o ＋ － B －－ －－ F y A － － － －－ － － ＋ P 1 o － － P 3 ＋
方硼石(boracite) 异极矿(calamine)
非晶方性结构 (anisotropic)
黄晶(topaz)
若歇尔盐(Rochellesalt)
晶方性(isotropic)结构是 不会产生压电性的
材料的压电性能与铁电性能
压电效应的应用
在居里兄弟发现“压电效应”后的三分之一个世纪中，压电效应在应用 上几乎没有受到任何重视；
具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机—电
能量的相互转换。
机械量
压电元件
电量
材料的压电性能与铁电性能
压电效应的发展历程
压电效应(Piezoelectric effect)是J. Curie和P. Curie兄弟于 1880年在α石英晶体上首先发现的。
研究对称晶体与压电现象的关系
发现：在某一类晶体中施加压力会产生电性 系统研究了施压方向和电场强度之间的关系
－－－－－－－
由电导过程引起 ② 另一种为无功部分(或异相)IR：
由介质弛豫过程引起
+ + + + + + +
介质损耗即为上述的异相分量 与同相分量的比值
(完整PPT)第六章铁电性能和压电性能_材料物理(1)
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：
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
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
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。
质
加电场E 成正比。
第六章铁电性能和压电性能_材料物理.
(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
(a)
(b)
0.4m
0.2m
多晶LiTaO3晶粒内90尖劈状畴与180曲流状畴
(a)
(b)
离子位移理论
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。 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。
-----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。
Ps－饱和极化强度
Pr－剩余极化强度（remanent polarization）
材料物理与性能学-第06章
6.3 铁电体的物理效应
铁电体的本质特征是具有自发极化，和自动控制且自发极化可 在电场作用下转向。据此，研究人员开发出了许多在实际中 得到广泛应用的产品。例如信号处理，存储显示，接收发射 和用于计测的产品等，是利用铁电体的压电特性研制成功的； 根据热释电性能制成了单个探测器和矩阵，在红外探测和热 成像系统中得到了应用。利用铁电陶瓷材料具有较强的电致 伸缩效应制成微位移计，在精密机械、光学显微镜、天文望 远镜等方面有着重要用途。除此之外，铁电体作为光学材料 也得到了广泛的应用。铁电体在实际中的应用与其物理效应 有着密切的联系，下面针对其各自效应的基本概念和实际产 品的应用分别加以叙述。
6.1.2.5 介电系数
6.1.3 铁电体的种类
按照铁电体极化轴的多少，可将铁电体分为两类:
只能沿一个晶轴方向极化（沿某轴上下极化）的铁电体，这也
是无序一有序型铁电体（软铁电体），它从顺电相到铁电相 的过渡是从无序到有序的相变。其中有：罗息盐(NaKC4H4O 6·4H2O)，及其他有关的酒石酸盐；磷酸二氢钾(KH2PO4） 型的铁电体；硫酸氨[(NH4)2SO4)]和四氟铍酸氨[(NH4)2BeF 4 )]；三硼酸氢钙[ CaB3O4 (OH)3·H2O]；硫脲(NH2)2CS；一 水甲酸锂（HCOOLi·H2O）等。另一类，可以沿几个晶轴极 化的铁电体，这些晶轴在非铁电相中都是等价的，也称为位 移型铁电体（硬铁电体）。这类铁电体以钛酸钡为代表（Ba TiO3），还有铌酸盐（LiNbO3，KNbO3）和钽酸盐（LiTaO 3、KTaO3)以及SbSI(锑一硫一碘）等。从顺电相到铁电相的 过渡是两个子晶格之间发生位移。
6.1.2 铁电体的特性
6.1.2.1 铁电体的自发极化
许多电介质只有在电场下才会发生极化。电场去除后，极化强 度迅速衰减到零。对于液体和无定形的固体中，由于分子排 列的无序性，外电场为零时，其表现出的宏观极化强度仍然 为零。对于晶体而言，如果某些晶体中每个晶胞中原子的构 型使正负电荷重心不重合或者说在某个方向存在相对位移， 形成电偶极矩，那么整个晶体在该方向上呈现极性，一端为 正，一端为负，导致晶体处于高度的极化状态，而这种极化 状态是在外电场为零时建立起来的，因此称之为自发极化。
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-
第六章 铁电物理与性能学
铁电相变
位移型相变铁电体
（不涉及化学键的破坏，新相和旧相之间存 在明显的晶体学位相关系）
以BaTiO3为例
钛酸钡不同温度下的晶胞结构变化示意图
位移型相变铁电体
以典型铁电材料——钛酸钡BaTiO3晶体为例，介绍其自发极化的微观模型
BaTiO3晶体从非 铁电性到铁电性的 过渡总是伴随着晶 体立方→四方的改 变，因此提出了一 种离子位移理论， 认为自发极化主要 是晶体中某些离子 偏离了平衡位置， 使得单位晶胞中出 现了电偶极矩造成 的
第六章 铁电物理与性能
Ferroelectrics
基本定义
具有自发极化强度,自发极化强度能 在外加电场下反转 或：具有电滞回线和具有电畴的特 点的材料为铁电体
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。
（3）压电聚合物
聚二氟乙烯（PVF2 ）是目前发现的压电效应较强的聚合物 薄膜，这种合成高分子薄膜就其对称性来看，不存在压电效应， 但是它们具有“平面锯齿”结构，存在抵消不了的偶极子。经延 展和拉伸后可以使分子链轴成规则排列，并在与分子轴垂直方向 上产生自发极化偶极子。当在膜厚方向加直流高压电场极化后， 就可以成为具有压电性能的高分子薄膜。这种薄膜有可挠性，并 容易制成大面积压电元件。这种元件耐冲击、不易破碎、稳定性 好、频带宽。为提高其压电性能还可以掺入压电陶瓷粉末，制成 混合复合材料(PVF2—PZT)。
第六章铁电性能和压电性能_材料物理(2)
4．克劳修斯—莫索蒂方程 ．克劳修斯 莫索蒂方程 设总电通量密度为D（单位：库仑/m2 ），其数值为电场 设总电通量密度为 （单位：库仑 ），其数值为电场 E和偶极子电场 之和： 和偶极子电场P之和 和偶极子电场 之和： D=P+ε0 E =εE ε ε 将 代入式（ ）， ），得 代入式（6.8），得
6
莫索蒂方程： 二、克劳修斯-莫索蒂方程：介电常数和极化率的关系 克劳修斯 莫索蒂方程 1．宏观电场E ．宏观电场 由右图可看出， 由右图可看出，在介质 电容器中，总电荷Q0中只有 电容器中，总电荷 一部分是自由电荷， 一部分是自由电荷，它建立 一个指向外部的电场和电压。 一个指向外部的电场和电压。 其余是束缚电荷， 其余是束缚电荷，它们的外 电场都被电介质的极化所抵 消。 所以极化强度P造成的 所以极化强度 造成的 电场可以认为是表面束缚电 荷引起的。 荷引起的。
10
（6.6）
（6.7) 2)洛伦兹关系 洛伦兹关系: 洛伦兹关系 式（6.5）中的E3是唯一由晶体结构决定的一项。已经证 ）中的 是唯一由晶体结构决定的一项。 对于球体中具有立方对称的参考位置， 明，对于球体中具有立方对称的参考位置，如果所有原子都可 以用彼此平等的点型偶极子来代替， 以用彼此平等的点型偶极子来代替，则E3 =0，所以： ，所以： （6.8） 这就是洛伦兹关系。 即为宏观电场 即为宏观电场。 这就是洛伦兹关系。 E即为宏观电场。
∑µ P= V
（6.2）
单位为[库仑 米 即 单位为 库仑/米2](即C/m2) 。 库仑 极化强度表示了电介质极化而引起的电容器表面电荷密 度的增加。 度的增加。
5
5.标量形式的极化强度 标量形式的极化强度P: 标量形式的极化强度 如果每一偶极子的电偶极矩具有同一方向，则 如果每一偶极子的电偶极矩具有同一方向， P=µn=nαEloc (6.3)
材料物理性能基础知识点
〈〈材料物理性能〉〉基础知识点一，基本概念:1.摩尔热容: 使１摩尔物质在没有相变和化学反应的条件下,温度升高1K所需要的热量称为摩尔热容.它反映材料从周围环境吸收热量的能力。
2.比热容：质量为1kg的物质在没有相变和化学反应的条件下，温度升高1K所需要的热量称为比热容。
它反映材料从周围环境吸收热量的能力。
3.比容：单位质量（即1kg物质)的体积，即密度的倒数（m3/kg)。
4.格波：由于晶体中的原子间存在着很强的相互作用,因此晶格中一个质点的微振动会引起临近质点随之振动.因相邻质点间的振动存在着一定的位相差，故晶格振动会在晶体中以弹性波的形式传播,而形成“格波”。
5.声子（Phonon）: 声子是晶体中晶格集体激发的准粒子,就是晶格振动中的简谐振子的能量量子。
6.德拜特征温度: 德拜模型认为:晶体对热容的贡献主要是低频弹性波的振动，声频支的频率具有0～ωmax分布，其中,最大频率所对应的温度即为德拜温度θD,即θD=ћωmax/k。
7.示差热分析法(Differential Thermal Analysis，DTA ）：是在测定热分析曲线（即加热温度T与加热时间t的关系曲线)的同时，利用示差热电偶测定加热（或冷却）过程中待测试样和标准试样的温度差随温度或时间变化的关系曲线ΔT～T（t),从而对材料组织结构进行分析的一种技术。
8.示差扫描量热法(Differential Scanning Calorimetry, DSC）: 用示差方法测量加热或冷却过程中，将试样和标准样的温度差保持为零时，所需要补充的热量与温度或时间的关系。
9.热稳定性（抗热振性）：材料承受温度的急剧变化（热冲击)而不致破坏的能力.10.塞贝克效应：当两种不同的导体组成一个闭合回路时,若在两接头处存在温度差则回路中将有电势及电流产生，这种现象称为塞贝克效应。
11.玻尔帖效应:当有电流通过两个不同导体组成的回路时，除产生不可逆的焦耳热外，还要在两接头处出现吸热或放出热量Q的现象。
铁电材料的物理和电学性质
铁电材料的物理和电学性质铁电材料是一种具有独特电学性质的物质，它具有正向和负向极性，可以被外电场极化，在电场消失之后仍然保持极化状态，这种性质被称为铁电性。
铁电性可以通过多种方式实现，其中最常见的是通过铁电相变来实现。
在铁电相变时，材料的结构会发生改变，以获得稳定的铁电垂直于极化方向的极化矢量。
铁电材料的极化与其晶格的偏移量相关，因此极化方向和大小可以通过应用电场和机械应力来调节。
铁电材料的性质既具有物理特性又有电学特性。
在物理特性方面，铁电材料的极化是一种固有的性质，可以导致很多有趣的现象。
例如，当铁电材料放置在两块不同温度的金属板之间时，其中一个金属板发生热膨胀，将铁电材料压缩，这时铁电材料的极化发生了改变，导致其在两极之间产生电势差，从而引发电荷的传输。
在电学特性方面，铁电材料的电极化状态可以用来制造电力装置。
铁电材料中的极化状态可以通过正向或负向的电场来控制，这种电场控制的电极化状态被称为铁电电容效应。
铁电材料的铁电电容效应是另一种利用铁电性制造转换电能和机械能的方法。
铁电材料的另一个重要特性是压电性。
当铁电材料受到机械应力时，它会产生电势差，这种现象被称为压电效应。
压电材料广泛用于储存、传输和转换机械能。
在实际应用中，铁电材料已被广泛应用。
例如，在电容器和传感器中，铁电材料可以用作感应器，因其快速响应和可重复使用的特性。
与传统电容器相比，铁电电容器的极化状态更容易经受一定的经历，而不必担心因经历次数过多而发生极化效应的损坏。
另外，在新型手机的触控屏幕、存储器中也使用了铁电材料，因为其可靠性、容差度和快速响应速度。
总的来说，铁电材料的物理和电学性质以它独特的极化性为基础，不仅可以应用于各种电力装置中，也可以用于传感器和高性能存储器中，并且铁电材料的应用空间之广将会涉及更多的领域。
第六章铁电性能和压电性能_材料物理(1)
温度对电滞回线 的影响
BaTiO3的电 滞回线
2. 铁电陶瓷的结构、性能与应用
（1）结构
钙钛矿结构 钨青铜结构 铋层状结构 焦绿石结构 钛铁矿结构
• •
共同特点: 含氧八面体 自发极化的起因: 氧八面 体中心离子的相对位移
•
属位移型铁电体
（2）制备工艺
铁电陶瓷的制备工艺流程： 粉体合成－细化－成型－烧结－被覆电极－性能测试 粉体合成： 固态反应法（solid state reaction） 共沉淀法 (coprecipitation) 溶胶－凝胶法 (sol-gel process)
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。
铁电体 (Ferroelectrics) :
Ps（必要条件） E Ps 重新定向
电光器件－利用电光效应，透明PLZT陶瓷（PLZT 9/65/35)
压电器件－利用压电和电致伸缩效应，PZT, PMN-PT
§6.2 压电性能
Piezoelectricity
一、压电效应 二、压电振子及其参数 三、压电陶瓷的预极化
四、压电材料及其应用
一、压电效应 1. 压电效应
1880年由居里兄弟(J. Curie and P. Curie)发现的。 晶体的压电效应是应力和应变等机械量与电场强度和 电位移（或极化强度）等电学量之间的耦合效应。
(a)
(b)
(c)
(d)
180畴翻转示意图 (a)成核，(b)和(c)纵向长大，(d) 横向长大
压电和铁电材料（ＰＤＦ）
7.4 热电、压电和铁电材料根据固体材料对外电场作用的响应方式不同，我们可以把它们分成两类。
一类是导电材料，即超导体、导体、半导体和绝缘体，它们是以传导方式传递外界电场的作用和影响（可以是电子传导、空穴传导和离子传导）。
另一类固体材料则是以感应方式来传递外界电场的作用和影响，这类材料叫做介电材料或电介质材料。
电介质材料置于外电场作用下，电介质内部就会出现电极化，原来不带电的电介质，其内部和表面将受感应而产生一定的电荷。
电极化可以用极化强度P 表示（单位体积内感应的偶极矩），这种电极化可以分为电子极化、离子极化和取向极化。
有一类电介质即使无外电场的作用其内部也会出现极化，这种极化称为自发极化，它可用矢量来描述。
由于这种自发极化的出现，在晶体中形成了一个特殊的方向，具有这种特殊结构的电介质，每个晶胞中原子的构型使正负电荷重心沿这个特殊方向发生相对位移，形成电偶极矩，使整个晶体在该方向上呈现了极性，一端为正，一端为负，这个特殊方向称为特殊极性方向，在晶体学中通常称为极轴。
而具有特殊极性方向的电介质称为极性电介质。
晶体的许多性质，诸如介电、压电、热电和铁电性，以及与之相关的电致伸缩性质、非线性光学性质、电光性质、声光性质、光折变性质等，都是与其电极化性质相关的。
晶体在外电场作用下，引起电介质产生电极化的现象，称为晶体的介电性。
7.4.1热电材料1. 热电效应(1) 塞贝克(Seebeck)效应当两种不同金属接触时，它们之间会产生接触电位差。
如果两种不同金属形成一个回路时，两个接头的温度不同，则由于该两接头的接触电位不同，电路中会存在一个电动势，因而有电流通过。
电流与热流之间有交互作用存在，其温度梯度不但可以产生热流，还可以产生电流，这是一种热电效应，称为塞贝克效应，其所形成的电动势，称为塞贝克电动势。
塞贝克电动势的大小既与材料有关，也是温度差的函数。
在温度差∆T较小时，塞贝克电动势E AB与温度差呈线性关系，即E AB=S AB∆T，式中S AB为材料A和B的相对塞贝克系数。
材料的压电性能和铁电性能比较
压电效应1880年发现．铁电 体1920年发现，铁电体是重要的 功能材料
第一节 压电性能 第二节 热释电与铁电性能 第三节 铁电材料的电光效应及其应用 第四节 影响材料压电性与铁电性的因素
材料的压电性能和铁电性能比较
第一节 压电性能
一 压电效应的基本原理
1 压电效应基本概念 由机械应力作用使电介质晶体产生极化并形成晶体表 面电荷的现象 2 压电效应基本原理 晶体不受外力作用，正、负电荷的中心重合，因而晶 体表面无荷电． 对晶体施加机械力时，晶体会发生因形变而导致的正、 负电荷中心不重合，引起晶体表面的荷电 3 正压电效应 4 逆压电效应 具有压电效应的晶体，电场的作用引起晶体内部正负 电荷中心的位移，导致晶体发生形变
材料的压电性能和铁电性能比较
第二节 热释电与铁电性能
②相变温度或过渡温度 晶体从一个铁电相到另一个铁电相的转变温度 ③上、下铁电居里温度Tc 有的晶体在一温度区间内为铁电相，这类晶体有上下 两个铁电居里温度Tc 高温的顺电相总是对称性较高的结构，称为铁电体的 原型结构，随着温度的降低，某些对称要素消失，晶 体可能转变为铁电相，晶体的铁电相是某种原型结构 对称性发生逐次递降而形成的亚群 (5)临界特性 晶体在相变点附近所发生的各种性能反常变化 介电性质、压电性、弹性、光学性质、热学性质
材料的压电性能和铁电性能比较
4、频率常数N
对某一压电振子，其谐振频率和振子振动方向长度的 乘积为一个常数，即频率常数。
其中：
N=fr×l
fr为压电振子的谐振频率；
l为压电振子振动方向的长度。
薄圆片径向振动
Np=fr×D
薄板厚度伸缩振动 Nt=fr×t
细长棒K33振动
铁电功能材料PPT课件
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。
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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。
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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
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弱磁性：铁电材料具有
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铁电相变
一级相变：TC>T0(T0略小于TC)
二级相变：TC＝T0
一级相变 在相变点上，PS突变到零；
铁电相与非铁电相共存；相 变伴随着潜热和热滞现象。
PS
T
如BT等。
TC
二级相变 在相变点上，PS连续地下降 PS
-----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。
Ps－饱和极化强度
Pr－剩余极化强度（remanent polarization）
第六章
铁电性能和压电性能
§6.1 铁电性能 §6.2 压电性能
§6.1 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 度等于零；有外加电场时，介质的极化强度与外 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。
4. 铁电体的临界现象----“介电反常”
介电常数反映电畴在电 场下转向的难易程度
在 Tc 下 , 电畴定向的活
化能接近于零 , 微弱电 场足以使其定向 , 故介 电常数最大
BaTiO3相对介电常数与温度的关系
当温度高于居里温度时，介电常数随温度的变化关系
遵从Curie－Weiss定律：
＝ C / (T-To) 其中: --介电常数，C--居里常数，To--特征温度
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 四方晶系 菱形结构 立方晶系 斜方晶系
无自发极化 自发极化沿c轴 [001]方向
自发极化沿 [011]方向
自发极化沿 [111]方向
3. BaTiO3自发极化的微观机理
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
二、BaTiO3自发极化的微观机理
1. BaTiO3的晶体结构
离子位移理论
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。 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。
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：
I类（105k）、II类（103k） 、III类（10k）
projection on c plane
c轴
(a)
(b)
LiTaO3晶体结构示意图，水平线代表氧平面
Structure schematics of LiTaO3crystal where the horizontal line represents oxygen plane (a) Paraelectric phase where Li is on the oxygen plane and Ta in the middle of two oxygen planes (b) ferroelectric phase where Li and Ta displace along +c and the dipolar is also along +c
介 质
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， 这样每一个原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， 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含有能自发极化（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。
铁电体 (Ferroelectrics) :
Ps（必要条件） E Ps 重行定向
居里温 度以上
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)Leabharlann (b)(a)LiTaO3的六角晶胞，氧未画出及(b)其在c平面上的投影
(a) Hexagonal crystal lattice without oxygen of LiTaO3 and (b) its
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
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）