无机材料的介电性能-第2讲
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第7章 无机材料的介电性能 11.25
或在外电场作用下，正、负电荷尽管可以逆向 移动，但它们并不能挣脱彼此的束缚而形成电 流，只能产生微观尺度的相对位移并使其转变 成偶极子的过程。
偶极子：构成质点的正负电荷沿电场方向在有 限范围内短程移动，形成一个偶极子。
极化的物理量
极化率：单位电场强度下，质点电偶极矩的大 小称为质点的极化率，用α表示。表征材料的 极化能力 ( 法. 米 2)
第7章 无机材料的介电性能
主要内容
7.1 介质的极化
7.2 介电损耗
7.3 介电强度 7.4 铁电性和压电性
电介质:在电场作用下能够建立极化的物质。
在电介质体内，一般只有被束缚的电荷，在电场作用下不能 以传导的方式而只是以感应的方式，即正负电荷受电场的驱 使形成正负电荷中心不重合的电极化方式来传递和记录电的 影响。
起整个介质击穿。
由于在产生热量的同时，形成相当高的内应力，材料
也易丧失机械强度而被破坏，这种击穿称为电一机械
一热击穿。
表面放电和边缘击穿
固体介质的表面放电属于气体放电。固体介质常处于周围 气体媒质中，有时介质本身并未击穿，但有火花掠过它的 表面，这就是表面放电。 电极边缘常常电场集中，因而击穿常在电极边缘发生，即
0真空介电常数8.8510-12 介质的介电常数 r相对介电常数
介质的极化
极化现象及其物理量
极化就是介质内质点(原子、分子、离 子)正负电荷重心的分离。
由大小相等、符号相反、彼此相距为l的两电荷(+q、-q) 所组成的系统。其极性大小和方向常用偶极矩来表示
单位：德拜(D或库仑.米)。1D表示单位正、负电 荷间距为0.2×10-8 cm时的偶极矩。
局部电场Eloc ：作用在微观质点上的局部电场。
第六章 无机材料介电性能2
TEM observation of domains
in BaTiO3 ceramics
铌酸钾晶体中的电畴
➢在外电场作用下，铁电畴总是要趋于与外电场方向一致，这称为电 畴的“转向”。实际上电畴运动是通过在外电场作用下新畴的出现、 发展以及畴壁的移动来实现的，而且由于转向时引起较大内应力， 这种转向不稳定。
第三十二页，编辑于星期五：十八点 十六分。
铁
热
压
电
电
电
电
介
体
体
体
体
电介质、压电体、热电体和铁电体的关系
热释电体主要应用于红外探测技术领域，还可用于非接触测温、
火车热轴探测、森林防火和无损探伤等方面。
第三十三页，编辑于星期五：十八点 十六分。
四、压电陶瓷的预极化及其性能稳定性
1. 压电陶瓷的预极化 ❖ 虽然具有压电效应的压电晶体很多，但是成为陶瓷材料以后，
一、压电效应
1、基本概念 ❖ 正压电效应：一些电介质，在受到一定方向的外力作用而变
形时，内部产生极化现象，与外力方向垂直的两端面出现等 量反号的束缚电荷，当去掉外力后，又重新回到不带电状态。 这种将机械能转换成电能的现象，称为正压电效应。 ❖ 逆压电效应：在压电体的适当方向上施加外电场会导致压电 体发生应变，将电能转换为机械能，称为逆压电效应，也叫 电致伸缩效应。
❖ 铁电体的位移性理论： 自发极化主要是由晶体中某些 离子偏离平衡位置，使单位晶 胞中出现偶极矩，偶极矩之间 的相互作用使偏离平衡位置的 离子在新的位置上稳定下来， 同时晶体结构发生了畸变。
钛酸钡自发极化的机制与其晶体结构密切相关！
第八页，编辑于星期五：十八点 十六分。
BaTiO3晶体在温度 变化过程中由于晶 体结构的变化，介 电系数也随着变化， 在相变温度点出现 介电系数的跃迁。 这是由于在这些温度 上产生了结构的变 化。
无机材料的介电性能
7.1 介质的极化
洛伦兹场E2的计算： rsin P
－ rd
O r
+
表示你相对于极化方向的夹角，空腔表面上的电荷密 度： －P cos 黑环所对应的微小环球面的表面积dS:
dS=2rsin rd dS面上的电荷为： dq= －P cosdS=2 r2P cossin d
7.1 介质的极化
7.1 介质的极化
1.电子位移极化的经典理论
电子位移极化：在外电场作用下，原子外围的电子云相对于原子核发 生相对位移形成的极化。 在交变电场的作用下，可以将其看作一个弹簧振子，弹性恢复力： -kx
复数表示交变电场: Eloc=E0eiwt
+
-
..
电荷-e的运动方程为： m x - kx - eEoe iloc
2. 原子位置上的局部电场Eloc
➢以一个想象的原子为球心画球， 要求圆球半径比原子间距大很多， 同时又比整个介质小很多。
➢球外的介质作用归结为空球表面
极化电荷作用场（洛伦兹场） E2 和整个介质外边界表面极化电荷作
用场E1之和，球内则只考虑原点附 近偶极子的影响E3.
晶体中原子上的内电场
Eloc=E外+E1+E2+E3
1. 宏观电场E
外加电场E(物体外部固定电荷所产生） 构成物体的所有质点电荷的电场之和
退极化场E1
➢极化强度P造成的电场可以认为是由 表面束缚电荷引起的。 ➢由均匀极化所产生的电场等于分布在 物体表面上的束缚电荷在真空中产生的 电场，令其为E1（退极化场），与E外 反向相反。
➢ E= E1+E外
7.1 介质的极化
表征材料的极化能力，只与材料的性质有关，其单
第四章 材料的介电性能-2
A
O
E 铁电陶瓷的电滞回线
Pr：剩余极化强度； EC ：矫顽场强。
4 . 铁电体的性能及应用 （1）性能 电滞回线 介电特性 非线性 晶界效应
（2）应用
热释电材料的应用
透明铁电材料的应用
铁电电容器的应用
4.5.4 压电性
1. 压电效应 压电效应： 正压电效应：在极性晶体上施加压力、张力、切 向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时 在晶体两端将出现正负电荷。
实际
P0:瞬时建立的极化（位移极化） P P1:代表松弛极化 :驰豫时间常数(完成极化所需要的时间) P
o
P1(t)
P1∞ (t)
P（t）＝P0＋P1（t） 极化强度随时间变化的速率与其最终数值和某时刻实际值之差有 以下关系： d(Pt－ Po)/dt=[(P－Po) － (Pt－Po)]/ P0 ＝ 0E P －P =(P －P ) (1－e-t/ ) P1∞＝ 1E
德拜研究了电介质的介电常数r´ 、反映介电损耗的r´´、所加电场的角频 率及松弛时间间的关系。
r´ (0)
r´´
0.1 1 10
=1， r´´最大，大于或小于1 时，r´´都小，
即：松弛时间和所加电场的频率相比，较大时，偶 极子来不及转移定向， r´´就小；松弛时间比所加 电场的频率还要迅速，r´´也小。
r()=+[ (0) - ] /(1+i ) r´ = +[ (0) - ] /(1+ 22) （ r()的实部） r´´ = [ (0) - ] /(1+ 22) （ r()的虚部）
tg=r´´/ r´
其中： (0) -----低或静态的相对介电常数 ------ (光频）时的相对介电常数
无机材料介电性能
例如，BaTiO3在居里温度附近，电滞回线逐渐闭合为一 直线（铁电性消失）。
❖ 极化时间：电畴转向需要一定的时间，时间适当长一点，极 化就可以充分些，即电畴定向排列更完全。
实验表明，在相同的电场强度E作用下，极化时间长的， 具有较高的极化强度，也具有较高的剩余极化强度。
❖ 极化电压：极化电压加大，电畴转向程度高，剩余极化强度 变大。
❖ 晶体结构：同一种材料，单 晶体和多晶体的电滞回线是
不同的。右图反映BaTiO3单 晶和陶瓷电滞回线的差异。 单晶体的电滞回线很接近于
矩形，Ps和Pr很接近，而且Pr 较高；陶瓷的电滞回线中Ps与 Pr相差较多，表明陶瓷多晶体 不易成为单畴，即不易定向 排列。
五、铁电体的性能及其应用
1、介电特性 ❖ BaTiO3一类的钙铁矿型铁电
2、铁电体的基本特征 ❖ （1）铁电体的基本特征：
铁电材料在电极化中存在电滞回线； 晶体中存在电畴形式的微结构 ； 在外加电场下，晶体中的电偶极矩可转变方向； 存在居里温度Tc(常称居里点)。
❖ （2）居里温度Tc 当T>Tc时，材料由铁电相转变为顺电相，极化时电滞回 线特性消失。此时，P与E一般呈现线性关系，介电常数 随温度的变化服从居里-外斯定律：
一、铁电体
1、基本概念 ❖ 线性（非线性）介质：有外加电场时，介质的极化强度与宏
观电场的关系是线性（非线性）的，称为线性（非线性）介 质。 ❖ 自发极化：在无外电场作用的时候，晶体的正负电荷中心不 重合而呈现电偶极矩的现象称为自发极化。 ❖ 通常将晶胞里存在固有电偶极矩的晶体称为极性晶体。
❖ 铁电体：在一定温度范围内具有自发极化，且自发极化方向 能随外场作可逆转动的晶体称为铁电体。
这种结构也可看成是一组BO6八面体按 简立方图样排列而成，各氧八面体由公有 的氧离子联结，A正离子占据氧八面体之 间的空隙。钙钛矿原胞是立方的，也可畸 变成具有三角和四方对称性。
❖ 极化时间：电畴转向需要一定的时间，时间适当长一点，极 化就可以充分些，即电畴定向排列更完全。
实验表明，在相同的电场强度E作用下，极化时间长的， 具有较高的极化强度，也具有较高的剩余极化强度。
❖ 极化电压：极化电压加大，电畴转向程度高，剩余极化强度 变大。
❖ 晶体结构：同一种材料，单 晶体和多晶体的电滞回线是
不同的。右图反映BaTiO3单 晶和陶瓷电滞回线的差异。 单晶体的电滞回线很接近于
矩形，Ps和Pr很接近，而且Pr 较高；陶瓷的电滞回线中Ps与 Pr相差较多，表明陶瓷多晶体 不易成为单畴，即不易定向 排列。
五、铁电体的性能及其应用
1、介电特性 ❖ BaTiO3一类的钙铁矿型铁电
2、铁电体的基本特征 ❖ （1）铁电体的基本特征：
铁电材料在电极化中存在电滞回线； 晶体中存在电畴形式的微结构 ； 在外加电场下，晶体中的电偶极矩可转变方向； 存在居里温度Tc(常称居里点)。
❖ （2）居里温度Tc 当T>Tc时，材料由铁电相转变为顺电相，极化时电滞回 线特性消失。此时，P与E一般呈现线性关系，介电常数 随温度的变化服从居里-外斯定律：
一、铁电体
1、基本概念 ❖ 线性（非线性）介质：有外加电场时，介质的极化强度与宏
观电场的关系是线性（非线性）的，称为线性（非线性）介 质。 ❖ 自发极化：在无外电场作用的时候，晶体的正负电荷中心不 重合而呈现电偶极矩的现象称为自发极化。 ❖ 通常将晶胞里存在固有电偶极矩的晶体称为极性晶体。
❖ 铁电体：在一定温度范围内具有自发极化，且自发极化方向 能随外场作可逆转动的晶体称为铁电体。
这种结构也可看成是一组BO6八面体按 简立方图样排列而成，各氧八面体由公有 的氧离子联结，A正离子占据氧八面体之 间的空隙。钙钛矿原胞是立方的，也可畸 变成具有三角和四方对称性。
第七章无机材料的介电性能
THEME TEMPLATE
20XX/01/01
XX
无机材料的介 电性能
单击此处添加副标题
汇报人：XX
目录
CONTENTS
单击添加目录项标题 介电性能的定义和重要性
介电常数和介质损耗 无机材料的介电性能分类 介电性能的测试和表征方法 无机材料介电性能的应用
单击此处添加章节标题
章节副标题
介电性能的定义和重要性
复合材料的合成： 利用复合材料的 优势，将不同介 电性能的材料进 行复合，以获得 具有优异介电性 能的复合材料。
纳米技术的应用： 利用纳米技术对 材料进行纳米尺 度的调控，提高 材料的介电常数 和降低介电损耗。
介电性能与其他性能的协同发展
介电性能与机械性能的协同：提 高材料的介电常数和机械强度
介电性能与化学性能的协同：提 高耐腐蚀性和稳定性
介质损耗的概念和影响因素
介质损耗定义：在电场作用下，电介质内 部所消耗的能量
影响因素：温度、频率、湿度、杂质、电 场强度等
无机材料的介电性能分类
章节副标题
绝缘材料的介电性能
绝缘材料：介电常数较小， 不易导电
介电性能：主要取决于材 料内部电子的极化率
影响因素：温度、频率、 湿度等
应用领域：电子、通信、 电力等
介电性能在无机材料中的重要性
介电性能是衡量材料在电场作用下电介质响应的一个重要参数，对于无机材料的性能和 应用具有重要意义。
介电性能对于无机材料的绝缘性能、电磁屏蔽效果、电子元件的稳定性等方面具有重要影响。
不同应用领域对介电性能的要求不同，例如在电子封装、电磁屏蔽、绝缘材料等领域需 要选择具有优异介电性能的无机材料。
在电力工业中的应用
无机材料介电性能在绝缘 子中的应用
20XX/01/01
XX
无机材料的介 电性能
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目录
CONTENTS
单击添加目录项标题 介电性能的定义和重要性
介电常数和介质损耗 无机材料的介电性能分类 介电性能的测试和表征方法 无机材料介电性能的应用
单击此处添加章节标题
章节副标题
介电性能的定义和重要性
复合材料的合成： 利用复合材料的 优势，将不同介 电性能的材料进 行复合，以获得 具有优异介电性 能的复合材料。
纳米技术的应用： 利用纳米技术对 材料进行纳米尺 度的调控，提高 材料的介电常数 和降低介电损耗。
介电性能与其他性能的协同发展
介电性能与机械性能的协同：提 高材料的介电常数和机械强度
介电性能与化学性能的协同：提 高耐腐蚀性和稳定性
介质损耗的概念和影响因素
介质损耗定义：在电场作用下，电介质内 部所消耗的能量
影响因素：温度、频率、湿度、杂质、电 场强度等
无机材料的介电性能分类
章节副标题
绝缘材料的介电性能
绝缘材料：介电常数较小， 不易导电
介电性能：主要取决于材 料内部电子的极化率
影响因素：温度、频率、 湿度等
应用领域：电子、通信、 电力等
介电性能在无机材料中的重要性
介电性能是衡量材料在电场作用下电介质响应的一个重要参数，对于无机材料的性能和 应用具有重要意义。
介电性能对于无机材料的绝缘性能、电磁屏蔽效果、电子元件的稳定性等方面具有重要影响。
不同应用领域对介电性能的要求不同，例如在电子封装、电磁屏蔽、绝缘材料等领域需 要选择具有优异介电性能的无机材料。
在电力工业中的应用
无机材料介电性能在绝缘 子中的应用
无机材料物理性能第2讲
➢ 5.晶体结构 共价键结构程度增加，扩散及位错运动降低，
抗蠕变性能就较好。
1.6 无机材料的超塑性
超塑性：一些晶粒尺寸非常细小的无机材料在较高温度下 受到一个缓慢增大的荷载作用时，其永久形变能力发生较 大幅度的提高，远大于常规变形极限的现象。
超塑性
相变超塑性：由于材料发生结构相变而导致永 久性的各向异性尺寸变化。
如果玻璃相不润湿晶相，则晶界为晶粒与晶粒结合， 抵抗蠕变的性能就好；如果玻璃相完全湿润晶相， 玻璃相穿入晶界，将晶粒包围，就形成了抗蠕变最 薄弱的结构，抵抗蠕变的性能就差，其它湿润程度处 在二者之间。
➢ 4.组成 组成不同的材料其蠕变行为不同。 即使组成相同，单独存在和形成化合物，其蠕 变行为不一样。
柏氏矢量具有守恒性，一根不分叉的任何形状的位错 只有一个柏氏矢量。
三、 塑性形变速率对屈服强度的影响
YS m
式中，m为位错运动速率的应力敏感性指数。
1.4 高温下玻璃相的黏性流动
dv
dx
dv 或
dx
dr
dt
式中，常数为粘性系数或粘度，单位为 Pa s
这一定律称为牛顿定律，符合这一定律的流体叫 牛顿液体。
e u 2
0 E kT sinh
23
2kT
1
根据牛顿定律 : dv , 得:
1
dx
1
1
2
eE
0
kT
sinh 231
3kT
可近似认为
1
2
3
, 则：
expE kT
式中:
v
2
0
sinh
0
2kT
E —没有剪应力时的势垒高度；
—频率，即每秒超过势垒的次数； 0
抗蠕变性能就较好。
1.6 无机材料的超塑性
超塑性：一些晶粒尺寸非常细小的无机材料在较高温度下 受到一个缓慢增大的荷载作用时，其永久形变能力发生较 大幅度的提高，远大于常规变形极限的现象。
超塑性
相变超塑性：由于材料发生结构相变而导致永 久性的各向异性尺寸变化。
如果玻璃相不润湿晶相，则晶界为晶粒与晶粒结合， 抵抗蠕变的性能就好；如果玻璃相完全湿润晶相， 玻璃相穿入晶界，将晶粒包围，就形成了抗蠕变最 薄弱的结构，抵抗蠕变的性能就差，其它湿润程度处 在二者之间。
➢ 4.组成 组成不同的材料其蠕变行为不同。 即使组成相同，单独存在和形成化合物，其蠕 变行为不一样。
柏氏矢量具有守恒性，一根不分叉的任何形状的位错 只有一个柏氏矢量。
三、 塑性形变速率对屈服强度的影响
YS m
式中，m为位错运动速率的应力敏感性指数。
1.4 高温下玻璃相的黏性流动
dv
dx
dv 或
dx
dr
dt
式中，常数为粘性系数或粘度，单位为 Pa s
这一定律称为牛顿定律，符合这一定律的流体叫 牛顿液体。
e u 2
0 E kT sinh
23
2kT
1
根据牛顿定律 : dv , 得:
1
dx
1
1
2
eE
0
kT
sinh 231
3kT
可近似认为
1
2
3
, 则：
expE kT
式中:
v
2
0
sinh
0
2kT
E —没有剪应力时的势垒高度；
—频率，即每秒超过势垒的次数； 0
材料的介电性能 ppt课件
在物理阻碍：晶界，相界， 自由表面，缺陷等处，自由电 荷积聚就可形成空间电荷极化。 在夹层、气泡处形成的称为界 面极化。
材料的介电性能
特点： ➢反应时间很长，几秒到数十分钟； ➢随温度升高而减弱； ➢存在于结构不均匀的陶瓷电介质中； ➢非弹性极化；
小结：
（1）总的极化强度是上述各种机制作用的总和。
电解质的分类：极性分子电解质和非极性分子电解 质----分子的正负电荷统计重心是否重合，是否有点 偶极子？
电介质在外电场作用下，无极性分子的正负电荷重 心重合将产生分离，产生电偶极矩。
Q：所含电量； l：正负电荷重心距离
据分子的电结构，电介质可分为：
极性分子电介质：H2O;CO（有）
非极性分子电介质：CH4;He 电极化强度（P） ：电解质极化程度的量度 （C/m2）.
离子驰豫极化：
弱联系离子：在玻璃状态的物质、结构松散 的离子晶体、晶体中的杂质或缺陷区域，离子自 身能量较高，易于活化迁移，这些离子称为弱联 系离子。由弱联系离子在电场和热作用下建立的 极化为离子弛豫极化。
不可逆；反应时间为 10-5－10-2S；随温度 变化有极大值。
a T
q2 2
12 k T
Ta极化率 ；q为离子荷电量； δ为弱离子电场作用下的迁移；
P=Σμ/ΔV
Σμ：电介质中所有电偶极矩的矢量和 ΔV： Σμ所有电偶极矩所在空间的体积
材料的介电性能
材料的介电性能
• 位移极化，由电子或离子位移 产生电偶极矩而产生的极化。分 为电子位移极化和离子位移极化 。
（1）电子位移极化
材料在外电场的作用下，分子或原子中的正负电
荷产生相对位移，中性分就变成偶极子。
（4）转向极化
存在固有偶极矩，无外电场时，混乱排列，使总极矩 =0，有外电场作用时，偶极转向，成定向排列，从而 产生介质极化。
材料的介电性能
特点： ➢反应时间很长，几秒到数十分钟； ➢随温度升高而减弱； ➢存在于结构不均匀的陶瓷电介质中； ➢非弹性极化；
小结：
（1）总的极化强度是上述各种机制作用的总和。
电解质的分类：极性分子电解质和非极性分子电解 质----分子的正负电荷统计重心是否重合，是否有点 偶极子？
电介质在外电场作用下，无极性分子的正负电荷重 心重合将产生分离，产生电偶极矩。
Q：所含电量； l：正负电荷重心距离
据分子的电结构，电介质可分为：
极性分子电介质：H2O;CO（有）
非极性分子电介质：CH4;He 电极化强度（P） ：电解质极化程度的量度 （C/m2）.
离子驰豫极化：
弱联系离子：在玻璃状态的物质、结构松散 的离子晶体、晶体中的杂质或缺陷区域，离子自 身能量较高，易于活化迁移，这些离子称为弱联 系离子。由弱联系离子在电场和热作用下建立的 极化为离子弛豫极化。
不可逆；反应时间为 10-5－10-2S；随温度 变化有极大值。
a T
q2 2
12 k T
Ta极化率 ；q为离子荷电量； δ为弱离子电场作用下的迁移；
P=Σμ/ΔV
Σμ：电介质中所有电偶极矩的矢量和 ΔV： Σμ所有电偶极矩所在空间的体积
材料的介电性能
材料的介电性能
• 位移极化，由电子或离子位移 产生电偶极矩而产生的极化。分 为电子位移极化和离子位移极化 。
（1）电子位移极化
材料在外电场的作用下，分子或原子中的正负电
荷产生相对位移，中性分就变成偶极子。
（4）转向极化
存在固有偶极矩，无外电场时，混乱排列，使总极矩 =0，有外电场作用时，偶极转向，成定向排列，从而 产生介质极化。
材料的介电性能教学课件
添加填料
通过向介电材料中添加填料 来提高其介电性能。
表面改性
通过改变介电材料表面的性 质来提高其介电性能。
掺杂改性
通过掺杂其他物质来改善介 电材料的性能。
现有问题及解决方案
1 介电强度降低的问
题
通过材料改良和设计优 化来提高介电强度。
2 介电损耗过高的问
题
3 改进介电性能的新
方向
通过优化材料结构和表 面处理来降低介电损耗。
材料的介电性能教学课件 PPT
本课件旨在介绍材料的介电性能，涵盖介电性能的概述、介电材料的分类、 介电应用领域、介电测试技术、性能改善以及现有问题及解决方案等主题。
介电性能概述
1 介电常数的定义
2 介电损耗的定义
介电常数是材料对电场强度的响应程度的 量度。
介电损耗是材料中电能转化为热能的程度。
3 介电强度的定义
4 介电中的极化现象
介电强度是材料能够承受的最大电场强度。
极化是材料中正、负电荷偏离平衡位置的 过程。
介电材料分类
常用的介电材料
常见的介电材料包括陶瓷、塑料、橡胶等。
介电材料的特性比较
不同介电材料具有不同的介电常数、介电损耗和介电强度。
介电应用领域
介电材料在电容器中的 应用
介电材料用于制造电容器以 存储电荷。
介电材料在电子器件中 的应用
介电材料用于制造电子器件 以实现绝缘和隔离于高压设备中的 绝缘和耐压功能。
介电测试技术
1 介电常数测试
通过实验测量材料的介电常数。
3 介电强度测试
通过实验测量材料的介电强度。
2 介电损耗测试
通过实验测量材料的介电损耗。
介电材料的性能改善
无机材料的介电性能-第2讲
基本原理是基于电滞回线的极 化反转和剩余极化特性。 铁电存储器的主要形式有 铁电随机存取存储器(FRAM)：直 接利用铁电薄膜的极化反转，以薄 膜的±Pr状态分别代表二进制的 “0”和“1”。 铁电场效应晶体管(FFET)：在FFET中，铁电薄膜作为源 极和漏极之间的栅极，其极化状态±Pr会改变源—漏极 之间的电流，可由该电流读出所存储的信息。 铁电动态随机存取存储器（FDRAM）：DRAM是基于电 荷积累的半导体存储器，在FDRAM中，利用超小型铁电 薄膜电容器的高电容率使存储量大幅度提高。
第六章 无机材料的介电性能
4）按居里-外斯常数的大小分类 第一类铁电体：C值大约在105K数量级。它们的相变大 多属于位移型，以双氧化物居多。
第二类铁电体：C值大约在103K数量级。它们的相变大 多属于有序-无序型，具有氢键或亚硝酸钠离子有关的分 子基团。
第三类铁电体：C值大约在10K数量级。它们是非本征 铁电体，其铁电性起因于压电性与弹性不稳定性的藕合， 如Gd3(MoO4)2等。
四、铁电体的性能及其应用
1、电滞回线的影响因素
极化温度：极化温度的高低影响到电畴运动和转向的难 易。矫顽场强和饱和场强随温度升高而降低。极化温度 较高，可以在较低的极化电压下达到同样的效果，其电 滞回线形状比较瘦长。 环境温度：环境温度的变化对材料的晶体结构有影响， 从而使内部自发极化发生改变，尤其是在相界处（晶型 转变温度点）更为显著。例如，BaTiO３在居里温度附近， 电滞回线逐渐闭合为一直线（铁电性消失）。 极化时间：电畴转向需要一定的时间，时间适当长一点， 极化就可以充分些，即电畴定向排列完全一些。实验表 明，在相同的电场强度E作用下，极化时间长的，具有 较高的极化强度，也具有较高的剩余极化强度。
第六章 无机材料的介电性能
第六章 无机材料的介电性能
4）按居里-外斯常数的大小分类 第一类铁电体：C值大约在105K数量级。它们的相变大 多属于位移型，以双氧化物居多。
第二类铁电体：C值大约在103K数量级。它们的相变大 多属于有序-无序型，具有氢键或亚硝酸钠离子有关的分 子基团。
第三类铁电体：C值大约在10K数量级。它们是非本征 铁电体，其铁电性起因于压电性与弹性不稳定性的藕合， 如Gd3(MoO4)2等。
四、铁电体的性能及其应用
1、电滞回线的影响因素
极化温度：极化温度的高低影响到电畴运动和转向的难 易。矫顽场强和饱和场强随温度升高而降低。极化温度 较高，可以在较低的极化电压下达到同样的效果，其电 滞回线形状比较瘦长。 环境温度：环境温度的变化对材料的晶体结构有影响， 从而使内部自发极化发生改变，尤其是在相界处（晶型 转变温度点）更为显著。例如，BaTiO３在居里温度附近， 电滞回线逐渐闭合为一直线（铁电性消失）。 极化时间：电畴转向需要一定的时间，时间适当长一点， 极化就可以充分些，即电畴定向排列完全一些。实验表 明，在相同的电场强度E作用下，极化时间长的，具有 较高的极化强度，也具有较高的剩余极化强度。
第六章 无机材料的介电性能
第六章无机材料的介电性能(PPT-精品)
结构不均 匀的材料
极化的频 率范围
直流—— 光频
直流—— 红外
直流—— 超高频
直流—— 超高频
直流—— 超高频
直流—— 高频
与温度的关 能量消耗 系
无关
无
温度升高极 化增强
随温度变化 有极大值
随温度变化 有极大值
随温度变化 有极大值
随温度升高 而减小
很弱 有 有 有 有
极
电子极化
化
率
离子极化
或
松弛极化
M+a= -k(x+－x-)+qEoe it M-a=-k(x- － x+)+qEoe it 得： M*=M+M-/(M++M-) 弹性振子的固有频率 ： o=(k/M*)1/2 离子位移极化率： e =[1/(o2－ 2)]q2/M* 0 静态极化率： i =q2/M* o2= q2 k
3. 松弛极化
克劳修斯-莫索蒂方程的适用范围： 适用于分子间作用很弱的气体、非极性液体、非极性 固体、具有适当对称性的固体。
从克劳修斯-莫索蒂方程：讨论高介电常数的质点： （ r －1 ）/（ r +2 ）= n /（3 o ） （ r －1 ）/（ r +2 ）----- r越大其值越大
介质中质点极化率大，极化介质中极化质点数多，则介质 具有高介电常数。
6.2.3 极化机制
极化的基本形式： 第一种： 位移式极化------弹性的、瞬间完成的、不消 耗能量的极化。 第二种：该极化与热运动有关，其完成需要一定的时 间，且是非弹性的，需要消耗一定的能量。
1. 电子位移极化
电子位移极化和电子松弛极化 电子位移极化
无外电场作用
极化的频 率范围
直流—— 光频
直流—— 红外
直流—— 超高频
直流—— 超高频
直流—— 超高频
直流—— 高频
与温度的关 能量消耗 系
无关
无
温度升高极 化增强
随温度变化 有极大值
随温度变化 有极大值
随温度变化 有极大值
随温度升高 而减小
很弱 有 有 有 有
极
电子极化
化
率
离子极化
或
松弛极化
M+a= -k(x+－x-)+qEoe it M-a=-k(x- － x+)+qEoe it 得： M*=M+M-/(M++M-) 弹性振子的固有频率 ： o=(k/M*)1/2 离子位移极化率： e =[1/(o2－ 2)]q2/M* 0 静态极化率： i =q2/M* o2= q2 k
3. 松弛极化
克劳修斯-莫索蒂方程的适用范围： 适用于分子间作用很弱的气体、非极性液体、非极性 固体、具有适当对称性的固体。
从克劳修斯-莫索蒂方程：讨论高介电常数的质点： （ r －1 ）/（ r +2 ）= n /（3 o ） （ r －1 ）/（ r +2 ）----- r越大其值越大
介质中质点极化率大，极化介质中极化质点数多，则介质 具有高介电常数。
6.2.3 极化机制
极化的基本形式： 第一种： 位移式极化------弹性的、瞬间完成的、不消 耗能量的极化。 第二种：该极化与热运动有关，其完成需要一定的时 间，且是非弹性的，需要消耗一定的能量。
1. 电子位移极化
电子位移极化和电子松弛极化 电子位移极化
无外电场作用
材料物理材料的介电性能PPT课件
例如，H2O Hcl CO SO2
因无序排列对外不呈现电性。
电子云的 正电中心
电介质
极化面 电荷
–
+–
+
+ – + –
+
–
+–
+ – E0 + –
+
–
–
+ – + –
+–
+
–
+ –E E+ –
+–
+
无外场时，电偶极子杂乱无章的排列
3、极化机制
电子位移极化
无极分子（Nonpolar molecule） 在无外场作用下整个分子无电矩。
A、电容材料
I、存储电能
传统 电容 器
VS
电 池
超级电 容器
高能量密度 高功率密度 长循环寿命
超级电容器
• 超级电容器 (Supercapacitors),它兼有静电电容器和电池 特性,能提供比静电电容器更高的能量密度,比电池更高的功 率密度和更长的循环寿命。
A、电容材料
I、存储电能
A、电容材料
A、电容材料
I、存储电能
制备高性能的超级电容器有2个途径: A、是增大电极材料比表面积,从而增大双电层电容量; B、是提高电极材料的可逆法拉第反应的机率,从而提 高准电容容量。 实际应用中,这2种储能机理往往同时存在。
A、电容材料
I、存储电能
原理 种类 优点 缺点
研究热点
碳素材料
以双电层为主
活性炭（AC）；活性炭纤维（CFA）；碳纳米 管（CNTs）；炭气凝胶（CAGs）；石墨等
3、极化机制
离子位移极化
因无序排列对外不呈现电性。
电子云的 正电中心
电介质
极化面 电荷
–
+–
+
+ – + –
+
–
+–
+ – E0 + –
+
–
–
+ – + –
+–
+
–
+ –E E+ –
+–
+
无外场时，电偶极子杂乱无章的排列
3、极化机制
电子位移极化
无极分子（Nonpolar molecule） 在无外场作用下整个分子无电矩。
A、电容材料
I、存储电能
传统 电容 器
VS
电 池
超级电 容器
高能量密度 高功率密度 长循环寿命
超级电容器
• 超级电容器 (Supercapacitors),它兼有静电电容器和电池 特性,能提供比静电电容器更高的能量密度,比电池更高的功 率密度和更长的循环寿命。
A、电容材料
I、存储电能
A、电容材料
A、电容材料
I、存储电能
制备高性能的超级电容器有2个途径: A、是增大电极材料比表面积,从而增大双电层电容量; B、是提高电极材料的可逆法拉第反应的机率,从而提 高准电容容量。 实际应用中,这2种储能机理往往同时存在。
A、电容材料
I、存储电能
原理 种类 优点 缺点
研究热点
碳素材料
以双电层为主
活性炭（AC）；活性炭纤维（CFA）；碳纳米 管（CNTs）；炭气凝胶（CAGs）；石墨等
3、极化机制
离子位移极化
《材料的介电性能》课件
电容和电感的应用
电容的应用
在电子设备中，电容被广泛应用于滤 波、去耦、旁路、调谐等场合，以实抑制电磁 干扰、阻尼振荡和磁性元件等，同时 也在无线通信、电力传输等领域有广 泛应用。
电容和电感的计算方法
电容的计算方法
根据电容的定义，可以通过测量电容器极板上的电荷量和电压来计算电容的大小。此外，还可以通过介质常数、 电极面积和间距等参数来计算电容。
生物医学应用
介电材料在生物医学领域也有广泛应用，如制备生物传感器、药物载 体和组织工程支架等。
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目录
• 介电性能概述 • 介电常数 • 介质损耗 • 电容和电感 • 介电性能的应用
01
介电性能概述
介电性能的定义
介电性能是指材料在电场作用下表现 出的性质，包括电导率、介电常数、 介质损耗等。
它反映了材料对电场的响应和作用， 是材料在电气工程领域应用的重要基 础参数之一。
集成电路封装
在集成电路的封装过程中，介电材料用于绝缘和 保护内部电路，同时提供导热性能。
在电力工程中的应用
1 2
绝缘子
高压输电线路中的绝缘子要求材料具有高介电强 度和良好的耐老化性能，以确保电力传输的安全 。
高压设备绝缘
在电力变压器、开关设备等高压电气设备中，介 电材料用于绝缘和支撑，确保设备正常运行。
常数越大。
温度
温度对介电常数有一定影响， 温度升高，介电常数可能减小
。
压力
压力对介电常数的影响较小， 但在高压下，介电常数可能会
有所变化。
频率
在高频电磁场下，介电常数与 电磁波的频率有关，频率越高
第七章无机材料的介电性能
第七章无机材料的介电性能概述无机材料是一类广泛应用于电子、光学、能源等领域的材料。
介电性能是描述无机材料在电场作用下的响应能力的重要指标，对材料的电学性质和应用具有重要影响。
本章将介绍无机材料的介电性能，包括介电常数、介电损耗、介电饱和极化等内容。
介电常数介电常数是描述无机材料在电场中响应能力的一个重要参数。
它衡量了材料在电场作用下的极化程度，即材料中电荷的重新分布情况。
介电常数通常由介电常数实部和虚部组成，分别表示材料的储存能量和耗散能量。
实部描述了材料对电场的响应程度，虚部表示了能量损耗的程度。
介电常数可以通过实验测量或模拟计算得到。
不同的无机材料具有不同的介电常数，这决定了材料在电子器件和光学器件中的应用。
介电损耗介电损耗是介电材料在电场作用下吸收和耗散能量的过程。
它是材料的一种特性，通常通过介电常数的虚部来描述。
介电损耗会导致能量的转换和散失，影响材料的电学性能和应用效果。
无机材料的介电损耗与多种因素有关，如材料的晶体结构、杂质含量和温度等。
在工程应用中，需要考虑介电损耗对电子器件、光学器件等的影响，以保证材料的性能和稳定性。
介电饱和极化介电饱和极化是指无机材料在高频电场作用下的极化现象。
介电饱和极化与外加电场频率和强度相关。
当电场频率较低或电场强度较小时，材料的极化程度较弱。
随着电场频率的增加或电场强度的增加，材料的极化程度逐渐增强，直到达到极限值，无法继续增加。
这种现象称为介电饱和极化，在实际应用中需要考虑介电饱和极化带来的限制，以避免对材料性能和应用造成不利影响。
无机材料的应用无机材料的介电性能决定了它在电子、光学和能源等领域的应用。
在电子器件中，无机材料常被用作介电层、储能层或传输层，以实现电信号的传输和存储。
光学器件中，无机材料的介电性能决定了其透过率、反射率和透射率等光学性质。
此外，无机材料还被广泛应用于能源领域，如太阳能电池、超级电容器等。
通过研究和调控无机材料的介电性能，可以提高材料的性能和应用效果，推动相关领域的发展。
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基本原理是基于电滞回线的极 化反转和剩余极化特性。 铁电存储器的主要形式有 铁电随机存取存储器(FRAM)：直 接利用铁电薄膜的极化反转，以薄 膜的±Pr状态分别代表二进制的 “0”和“1”。 铁电场效应晶体管(FFET)：在FFET中，铁电薄膜作为源 极和漏极之间的栅极，其极化状态±Pr会改变源—漏极 之间的电流，可由该电流读出所存储的信息。 铁电动态随机存取存储器（FDRAM）：DRAM是基于电 荷积累的半导体存储器，在FDRAM中，利用超小型铁电 薄膜电容器的高电容率使存储量大幅度提高。
Ti4+－O2-间距大（2.005A）, 故氧八面体间隙大,
因而
Ti4+离子能在氧八面体中振动。
T>120
℃, Ti4+处在各方几率相同（偏离中心的几率为
零），对称性高，顺电相。
T<120
℃ Ti4+由于热涨落，偏离一方，形成偶极矩，
按氧八面体三组方向相互传递、偶合，形成自发极化电 畴。
第六章 无机材料的介电性能
存在一个居里温度Tc(常称居里点)，当T>Tc时，材料由铁电 相转变为顺电相，极化时电滞回线特性消失，P与E一般呈现 线性关系，并且介电常数随温度的变化服从居里-外斯定律：
C /(T T0 ),T TC
式中C为居里-外斯常数，T0为居里-外斯温度。对连续 相变，T0=Tc；对一级相变，T0<Tc。
第六章 无机材料的介电性能
铁电存储器的应用领：
强耐辐射能力—— 空间和航天技术应用 优异的读写耐久性—— 电视频道存储器、游戏机数 字存储器、汽车里程表和复印机计数器等应用 低电压工作和低功耗——移动电话及射频识别系统中 的存储器 高速写入和编程能力、低功耗、长耐久性等——IC卡 最理想的存储器。
第六章 无机材料的介电性能
2）按极化轴多少分类 单轴铁电体：沿一个晶轴方向极化的铁电体，如罗息盐 （RS）、KDP等； 多轴铁电体：沿几个晶轴方向极化的铁电晶体，如 BaTiO3、Cd2Nb2O7等。 3）按相转变的微观机构分类 位移型转变的铁电体：这类铁电晶体的转变是与一类离 子的亚点阵相对于另一亚点阵的整体位移相联系。这类 铁电晶体有BaTiO3、LiNbO3等含氧的八面体结构的双 氧化物； 有序一无序型转变的铁电体：其转变是同离子个体的有 序化相联系的．有序一无序型铁电体包含有氢键的晶体， 这类晶体中质子的运动与铁电性有密切关系。如磷酸二 氢钾（KDP）及其同型盐就是如此。
第六章 无机材料的介电性能
3、铁电晶体的分类
迄今为止，已发现的具有铁电性的材料，就有一千多种， 它们可以按不同方法进行分类。 1） 根据铁电晶体的化学成分和结构特征，可分为 含有氢键的铁电体：磷酸二氢钾（KDP）、三甘氨酸硫 酸盐（TGS）、罗息盐（RS）等。这类晶体通常是从水 溶液中生长出来的，故常被称为水溶性铁电体，又叫软铁 电体； 双氧化物铁电体：如BaTiO3 （BaO－TiO2 ）、KNbO3 （K2O-Nb2O5）、LiNbO3 （Li2O－Nb2O5）等，这类晶 体是从高温熔体或熔盐中生长出来的，又称为硬铁电 体．它们可以归结为ABO3型，Ba2+，K+、Na+离子处于 A位置，而Ti4+、Nb6+、Ta6+离子则处于B位置。
在铁电体中引入某种添加物生成固溶体，改变原来的晶胞 参数和离子间的相互联系，使居里点向低温或高温方向移动， 这就是“移峰效应”。 。“展宽效应”是为了降低居里点 处的介电常数的峰值， 即降低非线性，也使工作状态相应于 —T平缓区。
第六章 无机材料的介电性能
3、铁电体的应用
第六章 无机材料的介电性能
BaTiO3晶体在温度 变化过程中由于晶 体结构的变化，介 电系数也随着变化， 在相变温度点出现 介电系数的跃迁。 这是由于在这些T上 产生了结构的变 化。
BaTiO3单晶的介电常数与温度的关系
第六章 无机材料的介电性能
三、铁电畴
铁电体的自发极化被电场重新定向后，晶体内部会产 生退极化场，电耦极矩在退极化电场的作用下形成退 极化能，为降低系统的能量，晶体内就会分裂出一系 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，直到整个晶体对内、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。
第六章 无机材料的介电性能
6.5 压电性
1880年J.居里和P.居里兄弟在 α石英晶体上首次发现正压电效 应。1881年，李普曼 （Lippmann）依据热力学方法， 推知应有逆压电效应存在，几个 月后，居里兄弟从实验上验证了 这一点。
正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。 压电性：某些介质在机械力作用下发生电极化或电极化的变 化，这样的性质称为压电性。具有压电性的介质称为压电体 (piezoelectrics)。目前，已知压电体超过千种，可以是晶体、 多晶体、聚合物、生物体。
第六章 无机材料的介电性能
极化电压：极化电压加大，电畴转向程度高，剩余极化 变大。 晶体结构：同一种材料， 单晶体和多晶体的电滞回 线是不同的。右图反映 BaTiO ３ 单 晶 和 陶 瓷 电 滞 回线的差异。单晶体的电 滞回线很接近于矩形，Ps 和Pr 很接近，而且Pr 较高； 陶瓷的电滞回线中Ps 与Pr 相差较多，表明陶瓷多晶 体不易成为单畴，即不易 定向排列。
四、铁电体的性能及其应用
1、电滞回线的影响因素
极化温度：极化温度的高低影响到电畴运动和转向的难 易。矫顽场强和饱和场强随温度升高而降低。极化温度 较高，可以在较低的极化电压下达到同样的效果，其电 滞回线形状比较瘦长。 环境温度：环境温度的变化对材料的晶体结构有影响， 从而使内部自发极化发生改变，尤其是在相界处（晶型 转变温度点）更为显著。例如，BaTiO３在居里温度附近， 电滞回线逐渐闭合为一直线（铁电性消失）。 极化时间：电畴转向需要一定的时间，时间适当长一点， 极化就可以充分些，即电畴定向排列完全一些。实验表 明，在相同的电场强度E作用下，极化时间长的，具有 较高的极化强度，也具有较高的剩余极化强度。
反铁电体一般宏观无剩余极化 强度，但在很强的外电场作用 下，可以诱导成铁电相，其P－ E呈双电滞回线。如锆酸铅（Ｐ bZrＯ３）反铁电体，在Ｅ较小 时，无电滞回线，当Ｅ很大时， 出现了双电滞回线（如图）。 反铁电体也具有临界温度---反铁电居里温度。在居里温度 附近，也具有介电反常特性。
第六章 无机材料的介电性能
铁电体的主要应用：铁电存储
评价存储器的标准：
容量、速度、非易失性、 功耗和价格
现有存储器的性能比较： DRAM：优点是容量、速度和成本，弱点是不具备非易失性 快闪存储器：优点是容量和非易失性，短处是写入速度慢 SRAM：优点是速度和功耗，缺点是难以实现大容量比
第六章 无机材料的介电性能
铁电存储器
第六章 无机材料的介电性能
一、铁电体
1、基本概念
线性（非线性）介质：有外加电场时，介质的极化强度与宏观 电场E的关系是线性（非线性）的，称为线性（非线性）介质。 自发极化：在无外电场作用的时候，晶体的正负电荷中心不重合而 呈现电偶极矩的现象称为自发极化。通常将晶胞里存在固有电偶 极矩的晶体称为极性晶体。 铁电体：在一定温度范围内具有自发极化，且自发极化方向能随外
场作可逆转动的晶体称为铁电体。
铁电性：材料在一定温度范围内具有自发极化，而且其自发极化可
以因外电场的作用而转向，材料的这种特性称为铁电性。
铁电体一定是极性晶体，但并非所有极性晶体都具有铁电性！
第六章 无机材料的介电性能
铁电材料的电滞回线
因铁电体介电常数值特别的高，也称为“强介材料”或“强介体 铁电体的标识性特征是其电极化与外电场的关系表现为 电滞回线！
第六章 无机材料的介电性能
• 铁电性
• 压电性
第六章 无机材料的介电性能
6.4 铁电性
• 1920年 法国人瓦拉赛克(Valasek) 发现 罗谢 盐即酒石酸钾钠(NaKC4H4O6· 2O)的铁电现 4H 象 • 20世纪50年代以来 铁电体种类急剧增加，早 年是科学家实验室中的珍品，被当作研究结构 相变的典型材料 • 20世纪80年代以来 铁电体作为一类新型功能 材料而崭露头角。
第六章 无机材料的介电性能
二、钛酸钡自发极化的微观机理
铁电体的位移性理论：
自发极化主要是由晶体中 某些离子偏离了平衡位置，使 单位晶胞中出现了偶极矩，偶 极矩之间的相互作用使偏离平 衡位置的离子在新的位置上稳 定下来，同时晶体结构发生了 畸变。
钛酸钡自发极化的机制与其晶体结构密切相关！
第六章 无机材料的介电性能
A-A：180°畴壁，B-B：90 °畴壁
铁电体中的电畴是不能在空间 任意取向的，只能沿着晶体的 某几个特定晶向取向。取决于 该种铁电体原型结构的对称性。
第六章 无机材料的介电性能
TEM observation of domains in BaTiO3 ceramics
铌酸钾晶体中的电畴
铁电畴的线度为微米数量级；
第六章 无机材料的介电性能
4）按居里-外斯常数的大小分类 第一类铁电体：C值大约在105K数量级。它们的相变大 多属于位移型，以双氧化物居多。
第二类铁电体：C值大约在103K数量级。它们的相变大 多属于有序-无序型，具有氢键或亚硝酸钠离子有关的分 子基团。
第三类铁电体：C值大约在10K数量级。它们是非本征 铁电体，其铁电性起因于压电性与弹性不稳定性的藕合， 如Gd3(MoO4)2等。
第六章 无机材料的介电性能
电滞回线的形成
电滞回线是铁电畴在外电场作用下运动的宏观描 述。
饱和极化强度Ps （自发极化强度） 剩余极化强度Pr
矫顽电场 强度Ec 具体解释见教材P355
第六章 无机材料的介电性能
反铁电体
有一类物体在转变温度以下，邻近的晶胞彼此沿反平行 方向自发极化，这类晶体叫反铁电体。
Ti4+－O2-间距大（2.005A）, 故氧八面体间隙大,
因而
Ti4+离子能在氧八面体中振动。
T>120
℃, Ti4+处在各方几率相同（偏离中心的几率为
零），对称性高，顺电相。
T<120
℃ Ti4+由于热涨落，偏离一方，形成偶极矩，
按氧八面体三组方向相互传递、偶合，形成自发极化电 畴。
第六章 无机材料的介电性能
存在一个居里温度Tc(常称居里点)，当T>Tc时，材料由铁电 相转变为顺电相，极化时电滞回线特性消失，P与E一般呈现 线性关系，并且介电常数随温度的变化服从居里-外斯定律：
C /(T T0 ),T TC
式中C为居里-外斯常数，T0为居里-外斯温度。对连续 相变，T0=Tc；对一级相变，T0<Tc。
第六章 无机材料的介电性能
铁电存储器的应用领：
强耐辐射能力—— 空间和航天技术应用 优异的读写耐久性—— 电视频道存储器、游戏机数 字存储器、汽车里程表和复印机计数器等应用 低电压工作和低功耗——移动电话及射频识别系统中 的存储器 高速写入和编程能力、低功耗、长耐久性等——IC卡 最理想的存储器。
第六章 无机材料的介电性能
2）按极化轴多少分类 单轴铁电体：沿一个晶轴方向极化的铁电体，如罗息盐 （RS）、KDP等； 多轴铁电体：沿几个晶轴方向极化的铁电晶体，如 BaTiO3、Cd2Nb2O7等。 3）按相转变的微观机构分类 位移型转变的铁电体：这类铁电晶体的转变是与一类离 子的亚点阵相对于另一亚点阵的整体位移相联系。这类 铁电晶体有BaTiO3、LiNbO3等含氧的八面体结构的双 氧化物； 有序一无序型转变的铁电体：其转变是同离子个体的有 序化相联系的．有序一无序型铁电体包含有氢键的晶体， 这类晶体中质子的运动与铁电性有密切关系。如磷酸二 氢钾（KDP）及其同型盐就是如此。
第六章 无机材料的介电性能
3、铁电晶体的分类
迄今为止，已发现的具有铁电性的材料，就有一千多种， 它们可以按不同方法进行分类。 1） 根据铁电晶体的化学成分和结构特征，可分为 含有氢键的铁电体：磷酸二氢钾（KDP）、三甘氨酸硫 酸盐（TGS）、罗息盐（RS）等。这类晶体通常是从水 溶液中生长出来的，故常被称为水溶性铁电体，又叫软铁 电体； 双氧化物铁电体：如BaTiO3 （BaO－TiO2 ）、KNbO3 （K2O-Nb2O5）、LiNbO3 （Li2O－Nb2O5）等，这类晶 体是从高温熔体或熔盐中生长出来的，又称为硬铁电 体．它们可以归结为ABO3型，Ba2+，K+、Na+离子处于 A位置，而Ti4+、Nb6+、Ta6+离子则处于B位置。
在铁电体中引入某种添加物生成固溶体，改变原来的晶胞 参数和离子间的相互联系，使居里点向低温或高温方向移动， 这就是“移峰效应”。 。“展宽效应”是为了降低居里点 处的介电常数的峰值， 即降低非线性，也使工作状态相应于 —T平缓区。
第六章 无机材料的介电性能
3、铁电体的应用
第六章 无机材料的介电性能
BaTiO3晶体在温度 变化过程中由于晶 体结构的变化，介 电系数也随着变化， 在相变温度点出现 介电系数的跃迁。 这是由于在这些T上 产生了结构的变 化。
BaTiO3单晶的介电常数与温度的关系
第六章 无机材料的介电性能
三、铁电畴
铁电体的自发极化被电场重新定向后，晶体内部会产 生退极化场，电耦极矩在退极化电场的作用下形成退 极化能，为降低系统的能量，晶体内就会分裂出一系 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，直到整个晶体对内、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。
第六章 无机材料的介电性能
6.5 压电性
1880年J.居里和P.居里兄弟在 α石英晶体上首次发现正压电效 应。1881年，李普曼 （Lippmann）依据热力学方法， 推知应有逆压电效应存在，几个 月后，居里兄弟从实验上验证了 这一点。
正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。 压电性：某些介质在机械力作用下发生电极化或电极化的变 化，这样的性质称为压电性。具有压电性的介质称为压电体 (piezoelectrics)。目前，已知压电体超过千种，可以是晶体、 多晶体、聚合物、生物体。
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极化电压：极化电压加大，电畴转向程度高，剩余极化 变大。 晶体结构：同一种材料， 单晶体和多晶体的电滞回 线是不同的。右图反映 BaTiO ３ 单 晶 和 陶 瓷 电 滞 回线的差异。单晶体的电 滞回线很接近于矩形，Ps 和Pr 很接近，而且Pr 较高； 陶瓷的电滞回线中Ps 与Pr 相差较多，表明陶瓷多晶 体不易成为单畴，即不易 定向排列。
四、铁电体的性能及其应用
1、电滞回线的影响因素
极化温度：极化温度的高低影响到电畴运动和转向的难 易。矫顽场强和饱和场强随温度升高而降低。极化温度 较高，可以在较低的极化电压下达到同样的效果，其电 滞回线形状比较瘦长。 环境温度：环境温度的变化对材料的晶体结构有影响， 从而使内部自发极化发生改变，尤其是在相界处（晶型 转变温度点）更为显著。例如，BaTiO３在居里温度附近， 电滞回线逐渐闭合为一直线（铁电性消失）。 极化时间：电畴转向需要一定的时间，时间适当长一点， 极化就可以充分些，即电畴定向排列完全一些。实验表 明，在相同的电场强度E作用下，极化时间长的，具有 较高的极化强度，也具有较高的剩余极化强度。
反铁电体一般宏观无剩余极化 强度，但在很强的外电场作用 下，可以诱导成铁电相，其P－ E呈双电滞回线。如锆酸铅（Ｐ bZrＯ３）反铁电体，在Ｅ较小 时，无电滞回线，当Ｅ很大时， 出现了双电滞回线（如图）。 反铁电体也具有临界温度---反铁电居里温度。在居里温度 附近，也具有介电反常特性。
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铁电体的主要应用：铁电存储
评价存储器的标准：
容量、速度、非易失性、 功耗和价格
现有存储器的性能比较： DRAM：优点是容量、速度和成本，弱点是不具备非易失性 快闪存储器：优点是容量和非易失性，短处是写入速度慢 SRAM：优点是速度和功耗，缺点是难以实现大容量比
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铁电存储器
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一、铁电体
1、基本概念
线性（非线性）介质：有外加电场时，介质的极化强度与宏观 电场E的关系是线性（非线性）的，称为线性（非线性）介质。 自发极化：在无外电场作用的时候，晶体的正负电荷中心不重合而 呈现电偶极矩的现象称为自发极化。通常将晶胞里存在固有电偶 极矩的晶体称为极性晶体。 铁电体：在一定温度范围内具有自发极化，且自发极化方向能随外
场作可逆转动的晶体称为铁电体。
铁电性：材料在一定温度范围内具有自发极化，而且其自发极化可
以因外电场的作用而转向，材料的这种特性称为铁电性。
铁电体一定是极性晶体，但并非所有极性晶体都具有铁电性！
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铁电材料的电滞回线
因铁电体介电常数值特别的高，也称为“强介材料”或“强介体 铁电体的标识性特征是其电极化与外电场的关系表现为 电滞回线！
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• 铁电性
• 压电性
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6.4 铁电性
• 1920年 法国人瓦拉赛克(Valasek) 发现 罗谢 盐即酒石酸钾钠(NaKC4H4O6· 2O)的铁电现 4H 象 • 20世纪50年代以来 铁电体种类急剧增加，早 年是科学家实验室中的珍品，被当作研究结构 相变的典型材料 • 20世纪80年代以来 铁电体作为一类新型功能 材料而崭露头角。
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二、钛酸钡自发极化的微观机理
铁电体的位移性理论：
自发极化主要是由晶体中 某些离子偏离了平衡位置，使 单位晶胞中出现了偶极矩，偶 极矩之间的相互作用使偏离平 衡位置的离子在新的位置上稳 定下来，同时晶体结构发生了 畸变。
钛酸钡自发极化的机制与其晶体结构密切相关！
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A-A：180°畴壁，B-B：90 °畴壁
铁电体中的电畴是不能在空间 任意取向的，只能沿着晶体的 某几个特定晶向取向。取决于 该种铁电体原型结构的对称性。
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TEM observation of domains in BaTiO3 ceramics
铌酸钾晶体中的电畴
铁电畴的线度为微米数量级；
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4）按居里-外斯常数的大小分类 第一类铁电体：C值大约在105K数量级。它们的相变大 多属于位移型，以双氧化物居多。
第二类铁电体：C值大约在103K数量级。它们的相变大 多属于有序-无序型，具有氢键或亚硝酸钠离子有关的分 子基团。
第三类铁电体：C值大约在10K数量级。它们是非本征 铁电体，其铁电性起因于压电性与弹性不稳定性的藕合， 如Gd3(MoO4)2等。
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电滞回线的形成
电滞回线是铁电畴在外电场作用下运动的宏观描 述。
饱和极化强度Ps （自发极化强度） 剩余极化强度Pr
矫顽电场 强度Ec 具体解释见教材P355
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反铁电体
有一类物体在转变温度以下，邻近的晶胞彼此沿反平行 方向自发极化，这类晶体叫反铁电体。