铁电体
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
铁电体应用
铁电体应用
铁电体是一种新型的半导体材料，可以在电子电路中实现一定的功能。
它的出现为电子设备提供了新的应用和发展方向，这在许多科学研究领域中发挥了重要作用。
首先，铁电体可以用于电子设备的放大器，因为它可以增强电压信号，从而提高设备的性能。
例如，在电话机中，可以使用铁电体来放大来自用户接收到的信号，从而提高其声音质量和信号强度。
另外，在传感器领域，铁电体可以被用来检测数据，这对于较低的能量领域非常有用。
例如，运动传感器通常使用铁电体检测低频动作，从而实现更高精度的数据获取。
此外，铁电体可以用于存储器，因为它具有优良的稳定性和可靠性。
它可以在非常低的功耗下存储数据，而且可以可靠地保存大量的数据，例如在计算机中可以用来存储巨大的数据库。
此外，铁电体可以用于替代传统的电容器，在一定的电压范围内可以维持一定的电容量，从而提高设备的性能。
最后，铁电体还可以用于制备各种新型电子设备，例如穿戴式设备、健康监测设备，甚至是智能手机、电脑等移动终端。
这些新型设备可以利用铁电体的特性，实现各种复杂功能，为用户提供更加灵活便捷的服务。
铁电体的应用已经遍布各个科学领域，它的出现为许多电子设备提供了新的发展方向。
铁电体具有优良的性能，可以替代传统的电子设备，从而提高电子设备的性能和功效。
虽然铁电体的发展依旧处于
初级阶段，但它今后会被广泛应用，为电子设备的更加深入发展提供新的动力。
铁电体及其相变
90oC
90oC
铁电相
三角晶系 三重轴的平移
立方相
P
增
四方相
加
三角相
正交相
铌酸锂型铁电体
LiNbO3是已知居里点最高1210oC和自发极化最大0 7C/m2的铁电体
T 结构：三角晶系
Nb位于氧八面体 的中心
T Nb
Li
C
Li位于氧平面内
P 自发极化起因
0
顺电相
铁电相
Li和Nb发生沿c轴的位移;产生c轴的电偶极矩
电容率呈现极大值的温度Tp随频率满足下列关系：
测试频率
冻结温度
2 介电常数随温度变化不符合 居里外斯定律;而是类居里外 斯定律
u
弥散指数
e kB(TpTf) 0
Phys. Rev. Lett, 101, 247602 (2008)
铁电弛豫体有很大的压电效应 电致伸缩系数
0 65PbMg1/3Nb2/3O30 35PbTiO3 : 4×1015 m2/V2
应用举例： 铁电存储器
原理：
两种极化状态
优点： •抗电磁干扰 •非易失性 结构相变 •低功耗
•速度快
Newman原理下的复合材料设计
1921年铁电存储技术 提出
1993年美国Ramtron 国际成功制备出4Kb 的铁电存储器
2008年美国Ramtron 国际成功制备出1Mb 的铁电存储器
J DmaxEdD 0
1 钙钛矿型铁电体
A
最多的一类铁电体;
O-
通式：ABO3 例：CaTiO3
B+
晶体结构：
氧离子形成氧八面体;整个晶体可看成氧八面体共顶点联接 而成 氧八面体间的间隙由A离子占据
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
添加标题
添加标题
添加标题
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。
铁电体应用
铁电体应用铁电体是一种以具有特定电容性的材料组成的物理构件，它的主要功能是具有在电场中的变形，并产生电磁感应效应，它可以用来存储和转移电能，在很多领域有广泛的应用，从而满足了不同科技领域的需要。
一、电磁兼容能力铁电体具有特殊的电磁兼容能力，它可以防止电路中的高电压以及低电压的冲击，保护完整的电子系统的安全。
此外，它还可以起到反射电磁波的作用，有效抵抗干扰，保证电子系统的正常工作。
二、驱动和控制应用铁电体的电磁特性可以被用来驱动和控制微型电机，比如，它可以用来控制手机振动器，例如手机震动器。
铁电体在电池供电时，可以不断收发电流，实现连续微小电流的控制。
三、隔离应用此外，铁电体也可以用于隔离电路中的高频信号，能够有效抑制辐射，保护上层电路免受损害。
例如，铁电隔离器可以用于发射机的空中数据传输系统，可以有效的进行数据的传输和接收，减少线上电磁干扰以及受到的信号衰减。
四、储能应用铁电体具有良好的电容性能，可以用作电池的储能组件，可以迅速的存储及转移电能，例如，可以用于蓄电池的起动，驱动小型发动机，或者用于汽车电子系统，以期获得高效率的服务。
五、消费电子应用铁电体也可以用于消费电子应用，比如：电视、电脑、汽车、摄影和游戏等电子产品。
它可以帮助保护电子系统的安全，防止静电放电，防止火花等危害，以及提升产品的品质。
六、宽频应用铁电体还可以用于宽频应用，用于高频无线电设备。
它能够帮助增强宽频信号的传播距离及清晰度，并能有效抗干扰，例如：用于广播系统、收音机、电视天线、导航系统等，能够实现有效的信号传输。
铁电体的应用非常广泛，它不仅可以应用于电子、电气和机械领域，而且还可以用于宽频、消费电子和安全防护等领域，能够满足不同客户的需求。
因此，铁电体越来越受到消费者的青睐，它将成为未来电子产品发展的重要的一部分。
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 原理
铁电体原理
铁电体是一种具有特殊性质的晶体材料，其特点主要体现在其晶体结构和电性行为上。
铁电体的晶体结构由正负离子组成，其中正离子通常是金属离子，负离子则是非金属离子。
这些离子在晶体中排列成周期性的规则结构，使得晶体具有高度有序的排列方式。
铁电体的特殊之处在于，在一些特定的温度下，其晶体结构会发生变化，由对称的晶体相变为非对称的晶体相。
这种相变被称为铁电相变。
在铁电相变之后，晶体会展现出一种非常特殊的电性行为，称为铁电性。
铁电性是指铁电体在外加电场的作用下，会发生极化现象。
极化是指晶体中正、负电荷的分布发生改变，形成电偶极子。
当外加电场消失时，电偶极子仍然保持一定的极化方向，直到受到相反方向的电场作用才能使其改变。
这种可逆的电性行为是铁电体与其他晶体材料最大的区别之一。
铁电体的铁电性使其具有广泛的应用价值。
例如，在电子器件中，铁电体可以用于制作记忆元件，利用其可以储存电荷的特性，实现信息的存储和读取。
此外，铁电体还可用于制作传感器，利用其电性和外界环境的关联性，实现对压力、温度等物理量的检测和测量。
铁电体也可用于电池等能源转换装置中，进一步提高能源的存储和输出效率。
总而言之，铁电体是一种特殊的晶体材料，具有非对称的晶体结构和可逆的极化特性。
这种特殊性质为铁电体在信息存储、传感器和能源转换等领域中的应用提供了广阔的空间。
铁电体应用的原理
铁电体应用的原理1. 什么是铁电体铁电体是指具有铁电性质的材料。
铁电材料在一定的温度范围内，具有正电性和负电性两种稳定的极化状态，可以通过外电场的作用来改变极化方向，这种特性使得铁电材料在电子学、光电子学、信息存储等领域中具有广泛的应用。
2. 铁电体的原理铁电体的原理基于两个重要的物理效应：压电效应和铁电效应。
2.1 压电效应压电效应是指材料在受到机械应力时能够产生电荷分离而产生电势差的现象。
当材料被施加力或应力时，晶体内部的离子会产生位移，由此导致材料内部正负电荷的分离。
这种电荷分离会在材料表面形成电势差，进而产生电场。
压电效应是铁电体产生铁电效应的基础。
2.2 铁电效应铁电效应指的是在一定的温度范围内，铁电材料可以通过外电场的作用在不同方向上发生极化。
在铁电体内部，正负离子会沿着特定方向排列组成极化方向，而外电场的作用可以改变这个极化方向，从而产生不同的电荷分布。
3. 铁电体应用铁电体应用可以在多个领域中发挥重要作用。
3.1 电子学铁电体可以用于电子设备中的独立存储单元，通过极化的方式来存储和读取信息。
与传统存储器不同，铁电体存储器不会因为断电而丢失数据，具有更高的稳定性和可靠性。
此外，铁电体还可以用于传感器、压电陶瓷等电子器件中。
3.2 光电子学铁电体具有优异的光电特性，可以用于光学设备中的相位调制器、光波导和光开关等。
通过控制铁电体的极化状态，可以实现光信号的调制和控制。
3.3 信息存储铁电体存储器具有容量大、速度快、耐久性好等特点，适用于各种信息存储需求。
铁电体存储器可以用于计算机内存、智能手机、数码相机等设备中。
3.4 生物医学铁电材料在生物医学领域中也有较广泛的应用。
例如，铁电体可以用于神经电刺激、心脏起搏器、骨骼修复材料等。
4. 发展趋势随着科技的进步，对材料性能的要求日益提高，铁电体的应用前景变得更加广阔。
未来，铁电体可能在人工智能、新能源、柔性电子等领域中发挥更重要的作用。
5. 结论铁电体应用的原理基于压电效应和铁电效应，通过外电场的作用来改变铁电材料的极化方向，从而实现不同的电荷分布。
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
铁电体的居里外斯定律公式
铁电体的居里外斯定律公式
铁电体是一类能够在外加电场刺激下产生自发极化的材料。
它们
具有特殊的电荷排列结构，通过正负电荷的分离而形成极化。
而居里-
外斯定律则是用来描述铁电体在不同温度下极化强度与外部电场之间
的关系的定律。
居里-外斯定律的公式可以表示为P = αE/T，其中P代表铁电体
的极化强度，α是一个常数，E是外部电场的强度，T代表温度。
这个公式告诉我们，当外部电场作用于铁电体时，铁电体的极化强度与电
场强度和温度呈线性关系。
对于一个给定的铁电体样品，在低温时，铁电体的极化强度随着
电场的增加而增加，直到达到饱和。
而在高温时，极化强度随着温度
的升高而减小。
这意味着铁电体在不同的温度下，对外部电场的响应
是不同的，电场强度越大，铁电体的极化强度也越大。
居里-外斯定律的应用在实际中非常广泛。
例如，铁电体常被用于
制造电容器和电子存储器件。
利用居里-外斯定律，我们可以通过控制
外部电场和温度来调节铁电体的极化强度，从而实现电容器的可调节
电容和存储器件的记忆功能。
在研究铁电体的性质时，居里-外斯定律也给出了一些重要的指导。
通过测量不同温度下铁电体的极化强度和外部电场之间的关系，我们
可以确定铁电体的物理性质和电荷排列结构。
这对于深入理解铁电体
的工作机制和优化铁电材料的性能非常重要。
总之，居里-外斯定律是描述铁电体极化行为的重要定律。
通过这个定律，我们可以了解铁电体在外部电场和温度作用下的极化响应，并且可以应用于电子器件的设计和铁电体材料的研究。
驻极体常用材料
驻极体常用材料
以下是一些常用的驻极体材料：
1.铁电体：铁电体材料是一种具有铁电性质的材料，具有正电和负电极之间的极化特性。
常见的铁电体材料包括Pb(Zr,Ti)O3、BaTiO3等。
2.电介质：电介质是一类电性能力比空气或真空更好的非导体材料。
常见的电介质材料包括二氧化硅、氧化铝等。
3.电容器材料：电容器材料具有高电容率和低电阻率的特性，常见的材料有铝电解电容器的电解液、聚丙烯等。
4.电致变色材料：电致变色材料指的是能够在电场作用下产生颜色变化的材料，常见的材料包括氧化钨和氧化钒等。
5.磁电材料：磁电材料能够在磁场作用下产生电荷的变化，常见的材料包括镍锌铁酸盐、铬酸锶等。
6.压电材料：压电材料是一类能够在外力作用下发生形变和电荷变化的材料，常见的材料包括晶体石英、聚酰亚胺等。
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。
铁电体的电滞回线
铁电体的电滞回线
铁电体的电滞回线是指，在电场作用下，铁电体的极化强度随着电场强度的变化而发生的非线性变化过程。
通常情况下，铁电体的电滞回线呈现出类似S型的曲线。
当
电场强度增加时，铁电体的极化强度会随之增加，直到达到一个饱和值。
当电场强度减小时，铁电体的极化强度并不能马上恢复到初始值，而是会有一个残余极化强度，这导致了电滞回线的出现。
铁电体的电滞回线通常具有以下特点：
1. 电滞回线存在一定的宽度，即在电场强度的变化范围内，存在一个区间不会有极化强度的变化。
2. 电滞回线的宽度与铁电体的性质有关，通常情况下，宽度越大说明铁电体的极化强度越难以改变。
3. 电滞回线的形状和对称性取决于铁电体的晶体结构和对称性。
电滞回线是铁电体的重要特性，也是铁电体用于数据存储和传感器等应用的基础。
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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
铁电晶体的分类
相变类型
铁电晶体 （Ferroelectric crystalline）
第一节：铁电晶体的自发极化 （spontaneous polarization）
定义：外电场作用下，晶体的正负电荷中心内 不重合而呈现偶极矩的现象称为电介质的自发 极化，而且这种自发极化的方向能随着外场方 向的改变而改变。
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
BaTiO3晶体的自发极化强度
BaTiO3晶体的相对介电常数
电场对BaTiO3晶体的相对介电常数的影响
频率BaTiO3晶体的相对介电常数的影响
BaTiO3晶体的相变（顺电-铁电）机制
1
C轴
0
1、高温的运动情况 2、低温的运动情况
0
2
a轴
Ba2+=0.143nm Ti4+=0.132nm
O2-=0.064nm
1、畴的长大并非通过畴壁的侧向移动，而是依靠电 畴内部沿着试样的边缘在靠近电极处生长出许多极化 方向与外电场方向一直的尖劈状新畴（成核） 2、成核以后，在电场作用下向前推进穿透整个试样 内部机制：新畴与反向畴耦合，最终反向畴转向
成核速率： 前进速率：
注意
应力对180度畴的转向没有作用
空间电荷对180度畴的转向起阻碍作用
加上电场后瞬间，电畴反转过程所产生的电流脉冲波形来研究
R 样品 V
示 波 器
脉 冲 源
1、上升沿要陡 2、脉冲振幅要大 3、脉冲间隔要宽
反铁电体
反铁电体是这样一些晶体，晶体结构与同型铁电体相近， 但相邻离子沿反平行方向产生自发极化，净自发极化强度 为零，不存在类似于铁电中的电滞回线。 介电常数（或极化率）与温度的关系为：在相变温度以下， 介电常数很小，一般数量级为10-102；在相变温度时，介 电常数出现峰值，一般数量级为几千。在相变温度以上， 介电常数与温度的关系遵从居里-外斯定律。
@1920年 法国人Valasek发现罗息盐的 特异的 非线性介电性能，导致了“铁电性”概念的出现. 1920年成为铁电物理学研究开始的象征？ 目前，世界上存在200多种铁电体
Attention
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。
铁电晶体的电畴结构
定义：铁电体中， 具有相同自发极化方向的小区域 电畴的观测手段： 偏光显微镜技术 腐蚀技术 花样粉间的界面
90o畴壁
180o畴壁
畴的极化反转
研究方法： 直接观察极化时畴的运动 脉冲条件下开关瞬态
1、直接观察畴的运动 180o畴的运动
反铁电体
铁电相变和反铁电相变 铁电相变：晶体结构从高温高对称相向低温低对称相转变，相变后铁电体出现自发极化， 铁电体在坐标空间呈现极性长程有序 反铁电相变：晶体结构从高温高对称相向低温低对称相转变，相变后反铁电体出现 亚晶格
自发极化，反铁电体在晶格空间呈现反极性长程有序
结构相变： 铁畸变：相变晶胞数目不变； 反铁畸变：新（低温）晶胞中化学式单位数目是旧（高温）晶胞中化学式单位数目的整 数倍。
C T T0
式中：C为居里-外斯常数； T为绝对温度；T0为顺电居 里温度，或称居里-外斯温 度。
有序-无序型相变铁电体的自发极化
RS的自发极化
KDP的自发极化
KDP的自发极化机制-质子有序化理 论
位移型相变铁电体的自发极化
PS=0 c/a=1.01 PS
PS
PS
晶胞参数（自发畸变）与温度的关系
1.History of Ferroelectrics
@166（5）5年前后 法国La Rochelled地方人 Pierre de la Seignette最早试制成功罗息盐（RS） （酒石酸甲钠,NaKC4H4O6· 4H2O）
Sodium Potassium Tartrate Tetrahydrate
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。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，104105，此即铁电体在临界温度的“介电反常”。
TGS
RS
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：
铁畸变铁电体：BaTiO3，NaNO2 反铁畸变铁电体（低对称相在单畴情况下 呈现自发极化）：Gd（MnO4）3，方硼盐 类 反铁畸变铁电体：无 反铁畸变反铁电体（低温条件下出现两个 或者两个以上的自发极化亚晶格，但不呈 现宏观计划量）：PbZrO3，NH4H2PO4
PbZrO3反铁电晶体
90o畴的运动
1、一样需要成核 2、成核数目越多成 核速度越慢
3、成核在阴极，沿 电场方向45度长大，
4、成核速率快，接 近与声速
5、畴壁的运动比较 容易，运动以后会改 变晶体形状，产生应 变，有内应力 6、在应力作用下可 以成核和生长
7、畴壁的振动与外 界高频振动想干，造 成更高频的振动衰减。
2、瞬时条件下开关瞬态