铁电性材料物理性能优秀课件

二、铁电体的居里外斯定律 在自发极化出现前的非极性晶体称为顺电性晶体。 顺电性晶体与铁电性晶体的转变温度称为铁电居里点TC。 当T>TC时，铁电相转变为顺电相，电滞回线消失，这时P与E一般有线 性关系P=ε0χE，并且介电常数服从居里外斯定律
r
T
C
0
C为居里常数，θ为特征温度。 ε∞代表电子位移极化对介电常数的贡献
成正比。
2）铁电体是极性晶体
即其极化状态并非由外电场所引起，而是由晶体内部结构特点所 引起，晶体中每个晶胞内存在固有电偶极矩。
注意：铁电晶体一定是极性晶体，但并非所有的极性晶体都是铁电体
3）铁电体的极化是自发极化
A.按相转变的自发极化机构铁电体分两类 ：
Ba2+ Ti4+
O-
第一类是位移型，其自发极化同一类离 子的亚点阵相对于另一类亚点阵的整体 位移相联系。
铁电性材料物理性能
一、铁电体
是一类特殊的电介质材料，在一定温度范围内含有能自发极化，并且 发极化方向可随外电场作可逆转动的晶体。
1、铁电体的特点
1）铁电体是非线性介质
即极化强度和外施电压的关系是非线性的。
P0E 备注：线性介质
没有外加电场时，介质的极化强度等于零。
有外电场时，介质的极化强度与宏观电场E
化方向相同，这个小区域就称为铁电畴(ferroelectric domains)。 两畴之间的界壁称为畴壁。若两个电畴的自发极化方向互成90 ° ，
则其畴壁叫90 °畴壁。此外，还有180 °畴壁等。
180 °和 90 °畴
2）电畴取向
与晶体结构有关。BaTiO ３的铁电相晶体结构有四方、 斜方、菱形三种晶系，它们 的自发极化方向分别沿 ［001］，［011］，［111］ 方 向 ， 这 样 ， 除 了 90° 和 180°畴壁外，在斜方晶系中 还有60°和120°畴壁，在菱 形晶系中还有71°，109°畴 壁。
的两种方法
-
4）铁电体具有铁电性
在一些电介质晶体中，晶胞的结构使正负电荷重心不重 合而出现电偶极矩，产生不等于零的电极化强度，使晶体 具有自发极化。 晶体的这种性质叫铁电性（ferroelectricity）。
与铁磁体的磁滞回线形状类似,所以人们把这类晶体称为 铁电体(其实晶体中并不含有铁)
当铁电体的晶胞自发极化而出现电矩时，相邻晶胞的电矩 可以同向排列形成电畴，并出现铁电性； 相间反向排列而成为反铁电性。
居里点附近居里外斯定律为
r
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T
C 0
忽略ε∞
三、铁电体的铁电性
指铁电体的微观结构性质，以及因此而可能显示出来的宏观性质
（一）铁电性几个重要特征
电滞回线、电畴结构、自发极化以及相应的晶胞形变（自发应变）、居 里点、居里外斯定律等。
1、铁电畴
1）铁电畴的形成 铁电体自发极化的方向不相同，但在一个小区域内，各晶胞的自发极
3） 电畴运动-极化过程
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。
➢无外加电场时，电畴在晶体中分布杂乱 无章，使整个晶体表现为电中性，宏观 上无极性。 ➢外电场作用时，沿电场方向极化畴长大， 逆电场方向的畴消失，其它方向分布的 电畴转到电场方向，极化强度随外加电 场的增加而增加，一直到整个结晶体成 为一个单一的极化畴为止。 ➢如再继续增加电场只有电子与离子的极 化效应，和一般电介质一样。
位移型铁电体的结构大多同钙钛矿结构 及钛铁矿结构紧密相关。钛酸钡是典型 的钙钛矿型的铁电体。
••
•
•
° •
°
•• ••
第二类是有序—无序型，其自发极化同个别离子的有序化相联系；
典型的有序—无序型晶体是含有氢键的晶体，这类晶体中质子的有序化 运动引起自发极化，例如KH2PO4晶体，该晶体具有铁电体的特征。
Ba2+ Ti4+
O-
• • °
• •
•
• • • • °
极化前晶体结构：
钛酸钡的结构：钙钛矿型结构
等轴晶系（大于120oC） ： 晶胞常数：a=4.01A 氧离子的半径：1.32A 钛离子的半径： 0.64
钛离子处于氧八面体中， 两个氧离子间的空隙为：4.01－2× 1.32= 1.37 钛离子的直径：2× 0.64= 1.28
E
殊的宏观性质，从而区别于普通电介质。
铁电电滞回线(Ps为自发极化强度，Ec为矫顽力）
A.施加电场
➢沿电场方向的电畴扩展，变大；
P
Ps B
C
而与电场反平行方向的电畴则变小。 极化强度随外电场增加而增加，如 图中oA段曲线。
Ba2+ Ti4+
O-
••••••••°•°°•°••••••••
例2：具有极性轴或结构本身具有自发极化的结构
+
-
+
+++++
正 电
+
+
-
-
+
荷-
层
-
固
-
极 化 轴
与
有
负+
电 荷
-
+ -
偶 极 子
+ -
C
层
- -+ - - -
交
+++++
-
-
替+ +
+
排-
列
表示晶体极性链
纤锌矿(ZnS)结构在（010）上投影
铁电体
B.铁电体的自发极化的机制 其自发极化的出现主要是晶体中原子（离子）位置变化的结果。 例1：由位移引起的自发极化
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。
钛酸钡的结构：钙钛矿型结构
• •
• •
° •
°
• •
• •
Ba2+ Ti4+
O-
自发极化过程： ➢氧八面体空腔体积大于钛离子体积，给钛离子位移的余地。 ➢较高温度时，热振动能比较大，钛离子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。
➢温度降低到120℃，低于距 离温度，钛离子平均热振动 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，有可能向某一个氧 离子靠近，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，使晶体顺着这个方向延 长，晶胞发生轻微畸变，由 立方变为四方晶体。
2、铁电体的电滞回线
电滞回线是铁电态的一个标志
1）电滞回线的形成
铁电体的电滞回线是铁电畴在外电场作用下运动的宏观描P述。
铁电体是电介质材料中一个很重要的分支， 它是一种特殊相变的产物。
Ps B Pr
C
在从高对称性转变为低对称性的过程中，
伴随着发生自发极化或亚点阵极化。
EC
AO
铁电体微观结构的特点决定了它有许多特