铁电体

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
@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。
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
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。
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
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。
b
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
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
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。
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、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
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 花样粉末技术 电子显微镜 液晶技术
电畴的结构
畴壁：畴与畴之间的界面
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
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
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
Baidu Nhomakorabea
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