铁电材料及其应用

SAW 换能器
叉指电极结构
声表面波吸收器 压电基片
叉指换能器的示意图
热释电探测器
红外辐照
吸收电极 信号输出
补偿元件
工作电极
热释电探测器的工作原理
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
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。
立方相
四方相
正交相
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
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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? ??° ? ?
? 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
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
铁电相
铁电相
铁电相
120℃
0±5 ℃
－ 90±9 ℃
(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
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
钛酸钡的氧八面体结构
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
T ? Tc 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
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
事件 在罗息盐中发现热释电性 发现罗息盐具有铁电性
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 - +
Hale Waihona Puke Baidu
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
(a)
y
(b)
y
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。
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
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
磁 电
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