第6章压电、铁电材料

钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷
钛酸钡具有较好的压电性，是在锆钛酸铅(PZT)陶瓷出现之前
，广泛应用的压电材料。但是，钛酸钡的居里点不高(120度) ，限制了器件的工作温度范围。
为了扩大钛酸钡压电陶瓷的使用温度范围，出现了以
BaTiO3为基的BaTiO3-PbTiO3系陶瓷。BaTiO3中加入 PbTiO3，可以使陶瓷的居里温度移向高温，扩大了器件 的工作温度范围。
铁电材料的应用
可作信息储存、图像显示 像BaTiO3一类的钙钛矿型铁电体具有很高的介电常数可以 做成小体积大容量的陶瓷电容器。
铁电薄膜能用于不挥发存储器，还可利用其压电特性，用于
制作压力传感器、声学共振器等。 MEMS的微传感器和微执行器。
非挥发性铁电随机存储器
非挥发性铁电随机存储器（NvFeRAM）产品将ROM的非易失 性数据存储特性和RAM的无限次读写、高速读写以及低功耗等
压电陶瓷
压电陶瓷是一类具有压电特性的电子陶瓷材料.
普通陶瓷是由许多小晶粒构成的多晶体，这些小晶粒通常是无 规则地排列，使陶瓷为各向同性材料，一般无压电效应。 为了使陶瓷能表现出宏观的压电特性，就必须将压电陶瓷置于 强直流电场下进行极化处理，以使原来混乱取向的各自发极化 矢量沿电场方向择优取向.在电场取消之后，经过极化处理后的 压电陶瓷具有压电效应。
极化 F 面
Q
机 ｛ 械 能 压电 效 应 及 可逆性
F
逆压电 效应 压电 介质 正压电 效应
电 ｝ 能
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极化现象：
当电介质放入电场中时，电荷质点在电场作用下发生相对
位移，正电荷沿电场作用方向移动，负电荷向反方向移动，形 成许多电偶极子，即发生极化。 电介质，电场导致极化表面有电荷。 压电材料，机械作用导致极化表面有电荷。
铁电材料
铁电体具有很多电畴和电滞回线，因此凡具有电畴和电滞回线
的介电材料就是铁电体。
1、电畴
铁电体内自发极化相同的小区域称为电畴，电畴与电畴之间的 交界称为畴壁。
铁电材料
2、电滞回线
电滞回线是铁电体的主要特征 之一，电滞回线的测量是检验 铁电体的一种主要手段。
即当施加电场E，极化强度P随E沿曲 线OAB上升，至B点后P随E的变化呈 线性关系。当E下降时，P沿着BDFG 方向下降。当E=0时，极化强度为Pr ，称为剩余极化强度。当反向电场增 加至-EH时，剩余极化强度全部消失 ，EH称为矫顽电场强度。当反向电场 继续增加时，直至整个晶体成为一个 单一极化方向的电畴为止（即图中G 点）。如此循环便成为一电滞回线。
a、一类以磷酸二氢钾 KH2PO4 --简称KDP--为代表，具有氢键，在
居里温度以上，质子沿氢键的分布是成对称沿展的形状。在低于居 里温度时，质子的分布较集中且不对称于邻近的离子，质子会较靠 近氢键的一端。 b.另一类则以钛酸钡为代表，从顺电相到铁电像的过渡是由于其中两 个子晶格发生相对位移。自发极化的出现是由于正离子的子晶格与 负离子的子晶格发生相对位移。
铁电材料
3、居里温度
居里温度Tc是铁电相和顺电相的相转变温度。当T>Tc时
，铁电现象消失，处于顺电相。当T<Tc时，铁电体处于 铁电相，当T=Tc时发生相变。铁电相是极化有序状态， 顺电相则是极化无序状态。 Tc称为居里点。
典型铁电材料
典型铁电材料有：磷酸二氢钾(KH2PO4)、钛酸钡（BaTiO3）等。
优势结合起来。即使在电源中断的情况下，存储的信息也不会
丢失。铁电体不仅作为电容而且是存储器的一部分。 低电压运作（1.0-5.0V），低功耗。 小尺寸，仅为EEPROM单元的20%。 抗辐射（常用于军用、卫星通讯）
高速：200ns读取时间。
非挥发性铁电随机存储器电路结构
2T-2C结构 由两个场效应管和两
铁电材料
铁电材料，是指材料的晶体结构在不加外电场来自百度文库就具有自发极
化现象，其自发极化的方向能够被外加电场反转或重新定向。
铁电材料的这种特性被称为“铁电效应”。 如果晶胞本身的正、负电荷中心不重合，即晶胞具有极性，晶
胞的固有电矩便会沿着同一方向排列整齐，使晶体处在高度的
极化状态下，由于这种极化状态是外场为零时自发地建立起来 的，因此称为自发极化 。
随着温度下降，Ti4+偏离氧八面体的中心，则晶体的正、负 电荷中心不重合，晶体的对称性下降。当温度下降到120℃
时，钛酸钡发生顺电-铁电相变。
在室温下，BaTiO3是属四方晶系的铁电体。 综上所述，在整个温区(<1618℃)，钛酸钡共有五种晶体结 构，即六方、立方、四方、正交、三方，随着温度的降低， 晶体的对称性越来越低。在120℃（即居里点）以上，钛酸 钡晶体呈现顺电性，在120℃以下呈现铁电性。
充电现象。
钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷
钛酸钡压电陶瓷极化示意图
压电陶瓷材料
1880年法国人居里兄弟发现了“压电效应”。1942年，第一 个压电陶瓷材料——钛酸钡先后在美国、前苏联和日本制成。
50年代初，又一种性能大大优于钛酸钡的压电陶瓷材料——锆
钛酸铅研制成功。 从此，压电陶瓷的发展进入了新的阶段。如用多种元素改进的
锆钛酸铅二元系压电陶瓷，以锆钛酸铅为基础的三元系、四元
系压电陶瓷也都应运而生。 这些材料性能优异，制造简单，成本低廉，应用广泛。
钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷
压电陶瓷多是ABO3型化合物或几种ABO3型化合物的固溶
体。应用最广泛的压电陶瓷是钛酸钡系和锆钛酸铅系
(PZT)陶瓷。 钛酸钡(BaTiO3是一致性熔融化合物，其熔点为1618℃。 1460~1618℃温度下BaTiO3属于非铁电的六方晶系点群 。此时，六方晶系是稳定的。此时，钛酸钡晶体正负电荷 中心重合，所以不具备自发极化能力。
压电材料的应用
压电材料，应用在智能材料与结构中可以解决传统技术中难于
解决的一些关键问题，而且其作用也是其它材料难以取代的。
对压电陶瓷施加应力时，在陶瓷样品的两端就出现一定的电压 。利用正压电效应用于引燃引爆、气体点火等高压发生器；相
反，利用逆压电效应对压电陶瓷施加一个外加电场时，当外电
场频率与压电陶瓷固有谐振频率一致时，形变较大，而且随外 电场的频率作机械振动，向周围媒介发射功率。这种效应可用
锆钛酸铅系(PZT)
锆钛酸铅系(PZT)陶瓷, 其化学式为Pb(Zrx, Ti1-x)O3, 是钙钛矿结
构的二元系固溶体，晶胞中B位置可以是Zr4+, 也可以是Ti4+。 居里点随锆钛比变化。根据器件的要求，可以选择不同的锆钛
比Zr／Ti，从而获得不同性能要求的压电陶瓷。
与钛酸钡相比，锆钛酸铅压电系数更大，居里温度在300 ℃以 上，各项机电参数受温度影响小，电性能优异，易批量生产且
于超声换能器、扬声器、声纳等。
视频：压电陶瓷
压电材料的应用
压电陶瓷扬声器
利用压电陶瓷做出的扬声器，尺寸更小，厚度能够达 到1mm以下，且对音腔体积的依赖性小。 传统手机的 扬声器厚度 至少在3mm 以上，且对 后音腔体积 有要求。
压电材料的应用
压电陶瓷触摸屏
利用压电陶瓷机械能—电能之间的转换原理，可以应用到手机 屏幕上，具有灵敏度高、可靠性高的优点。
第六章 压电、铁电材料
压电材料
压电效应：
某些物质沿其一定的方向施加压力或拉力时，随着形变的 产生，会在其某两个相对的表面产生符号相反的电荷，当外力 去掉形变消失后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为 “正压电效应”： 机械能转变为电能。 反之，在极化方向上（产生电荷的两个表面）施加电场， 它又会产生机械形变，这种现象称为“逆压电效应”：电能转 变为机械能。 具有压电效应的物质称为压电材料。
钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷
在1460~120℃之间钛酸钡转变为
立方钙钛矿型结构。
在此结构中Ti4+(钛离子)居于O2-( 氧离子)构成的氧八面体中央， Ba2+(钡离子)则处于八个氧八面体 围成的空隙中。此时的钛酸钡晶 体结构对称性极高，因此不具自 发极化能力。
钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷
价格低廉等优点而被广泛应用于电子元器件中。
锆钛酸铅系(PZT)
在锆钛酸铅中添加一种或两种其他微量元素（铌、锡、锰、钨
等）还可以获得不同性能的PZT材料，因此锆钛酸铅系压电陶 瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。 然而，锆钛酸铅系陶瓷在制备和使用过程中，都会给环境和人 类健康带来很大的损害。近年来，随着环境保护和人类社会可 持续发展的需求，研发新型环境友好的压电陶瓷已成为世界各 国致力研发的热点材料之一。
压电陶瓷
压电陶瓷经极化处理后，与极化方向垂直的两端出现束缚电荷 ，由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面吸附一层来自外
界的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。
当对其施加一个与极化方向平行或垂直的外压力，压电陶瓷片 将会产生形变，片内束缚电荷层的间距变小，而使表面的自由
电荷过剩出现放电现象。当所受到的外力是拉力时，将会出现
压电材料的应用
超声波清洗机
超声波清洗机主要由清洗槽和发生器两部分组成。底部安装有超声波换能器振子 ；发生器产生高频高压，通过电缆联接线传导给换能器，换能器与振动板一起产 生高频共振，从而使清洗槽中的溶剂受超声波作用对污垢进行洗净。
压电材料的应用
纳米压电材料有望使未来手机不在充电
美国物理学协会出版的《物理评论》杂志刊登了德克萨 斯大学化学工程系教授卡金的最新成果，他和他的研究 团队研制出纳米级压电材料，这种材料可以用在低能耗 电子产品中代替电池，将声波变成驱动产品运行的能量 。这一新材料将会在手机、笔记本电脑、专用通信装置 以及其他电子产品身上大显身手。 来源：科技日报
个电容构成一存储器
记忆单元。 通过比较两边的输出
而得出存储的信息。
Thank you !
根据几何结晶学，在32种点群中，只有20种无对称中心的晶体
，这20个点群都有可能产生压电效应。如石英就是一种压电材 料。
压电材料
石英压电效应机理
(a)表示晶体中的质点在某方向上的投影，此时晶体不受外力 作用，正负电荷的重心重合，晶体表面的电荷亦为零。
(b)、 (c) 分别为受压缩力与拉伸力的情况，这两种受力情况 所引起晶体表面带电的符号正好相反。