电介质材料(压电与铁电材料1)
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在讨论晶体机电特性时，采用xyz右手直角坐标 较方便，并统一规定：x轴与a(或b、d)轴重合，谓 之电轴，它穿过六棱柱的棱线，在垂直于此轴的面 上压电效应最强；y轴垂直m面，谓之机轴，在电场 的作用下，沿该轴方向的机械变形最明显；z轴与c 轴重合，谓之光轴，也叫中性轴，光线沿该轴通过 石英晶体时，无折射，沿z轴方向上没有压电效应。
Guangdong Ocean University
Xiong Zhengye
压电陶瓷的特点是： 压电常数大，灵敏度高； 制造工艺成熟，可通过 合理配方和掺杂等人工 控制来达到所要求的性 能；成形工艺性也好， 成本低廉，利于广泛应 用。 压电陶瓷除有压电性外，还具有热释电性。因此它可制作热 电传感器件而用于红外探测器中。但作压电器件应用时，这会给 压电传感器造成热干扰，降低稳定性。所以，对高稳定性的传感 器，压电陶瓷的应用受到限制。 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye
Guangdong Ocean University Xiong Zhengye
（4 ） 机械耦合系数：在压电效应中 , 其值等于转 换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能） 之比的平方根 ; 它是衡量压电材料机电能量转换 效率的一个重要参数。
（ 5 ） 电阻：压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏 , 从而改善压电传感器的低频特性。 （ 6 ） 居里点：压电材料开始丧失压电特性的温度 称为居里点。 （7）机械品质因数：压电振子在谐振时在一周期内 贮存的机械能与损耗的机械能之比。
电介质材料 Dielectric Materials
（piezoelectric material ）
Guangdong Ocean University
Xiong Zhengye
电介质材料之压电材料
一 概述
介电体 压电体 热释电体 铁电体
Guangdong Ocean University
Xiong Zhengye
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Xiong Zhengye
从石英晶体谐振器的等效电 路可知，它有两个谐振频率， 即（1）当L、C、R支路发 生串联谐振时，它的等效阻 抗最小（等于R）。串联揩 振频率用fs表示，石英晶体 对于串联揩振频率fs呈纯阻 性，（2）当频率高于fs时L、 C、R支路呈感性，可与电 容C0发生并联谐振，其并联 频率用fd表示。 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye
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° °
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Xiong Zhengye
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等轴晶系（大于120oC） ： 晶胞常数：a=4.01A 氧离子的半径：的空隙为：4.01－2× 1.32= 1.37 钛离子的直径：2× 0.64= 1.28
Guangdong Ocean University
压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产 生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中 得到了广泛的应用。 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye
压电晶体产生压电效应
+ + + ±
+ + -
+
+ -
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-
+
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未加应力
加应力产生极化， 正负电荷中心分开
当你在点燃煤气灶，热水器或打火机时，就有 一种压电陶瓷已悄悄地为你服务了一次。生产厂家 在这类压电点火装置内，藏着一块压电陶瓷，当用 户按下点火装置的弹簧时，传动装置就把压力施加 在压电陶瓷上，使它产生很高的电压，进而将电能 引向燃气的出口放电，于是，燃气就被电火花点燃 了。压电陶瓷的这种功能就叫做压电效应，压电陶 瓷就是一种常用的压电材料。
Guangdong Ocean University Xiong Zhengye
主要参数
压电材料的主要特性参数有 :
（ 1 ） 压电常数：压电常数是衡量材料压电效应强 弱的参数 , 它直接关系到压电输出的灵敏度。
（ 2 ） 弹性常数：压电材料的弹性常数、 刚度决定 着压电器件的固有频率和动态特性。 （ 3 ） 介电常数：对于一定形状、 尺寸的压电元 件 , 其固有电容与介电常数有关 ; 而固有电容又 影响着压电传感器的频率下限。
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压电陶瓷
压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电体。所谓 “多晶”，它是由无数细微的单晶组成；所谓“铁电体”， 它具有类似铁磁材料磁畴的“电畴”结构。每个单晶形成一 单个电畴，无数单晶电畴的无规则排列，致使原始的压电陶 瓷呈现各向同性而不具有压电性。 要使之具有压电性，必须作极化处理，即在一定温度下 对其施加强直流电场，迫使“电畴”趋向外电场方向作规则 排列；极化电场去除后，趋向电畴基本保持不变，形成很强 的剩余极化，从而呈现出压电性 。
加应力不 产生极化
Xiong Zhengye
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在这些电介质的一定方向上施加机械力而产生变形时， 就会引起它内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化，从 而导致其两个相对表面(极化面)上出现符号相反的束缚电荷 Q，且其电位移D(在MKS单位制中即电荷密度σ)与外应力张 量T D=d T 或 σ =d T 式中 d——压电常数矩阵。 当外力消失，又恢复不带电原状；当外力变向，电荷 极性随之而变。这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。
它的时间稳定性好，居里点高达1200℃，在高 温、强幅射条件下，仍具有良好的压电性，且机械 性能，如机电耦合系数、介电常数、频率常数等均 保持不变。此外，它还具有良好的光电、声光效应， 因此在光电、微声和激光等器件方面都有重要应用。 被称为第二代压电晶体的代表。 不足之处是质地脆、抗机械和热冲击性差。
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石英晶体
石英晶体的外形(a)天然石英晶体； 理想石英晶体坐标系 (b)人工石英晶体；(c)右旋石英晶体 理想外形
Guangdong Ocean University Xiong Zhengye
石英晶体俗称水晶，有天然和人工之分。目前 传感器中使用的均是以居里点为573℃，晶体的结构 为六角晶系的α-石英。
在压电单晶中除天然 和人工石英晶体外，锂盐 类压电和铁电单晶如铌酸 锂(LiNbO3)、钽酸锂 (LiTaO3)、锗酸锂LiGeO3) 等材料， 也已在传感器技 术中日益得到广泛应用， 其中以铌酸锂为典型代表。
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铌酸锂是一种无色或浅黄色透明铁电晶体。
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石英晶体振荡器
石英晶体振荡器是高精度和 高稳定度的振荡器，被广泛 应用于彩电、计算机、遥控 器等各类振荡电路中，以及 通信系统中用于频率发生器、 为数据处理设备产生时钟信 号和为特定系统提供基准信 号。
Guangdong Ocean University Xiong Zhengye
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1. 基本概念
压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产 生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压，则产生机械 应力（称为逆压电效应）。如果压力是一种高频震动，则产生 的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高 频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号。 也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的 功能 。
例2：由热运动引起的自发极化
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。
钛酸钡的结构：钙钛矿型结构
• •
Guangdong Ocean University
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当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电 容C0，它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关，一般约几 个PF到几十PF。当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L来 等效。一般L的值为几十mH到几百mH。晶片的弹性可用电容 C来等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1pF。晶片振动时 因摩擦而造成的损耗用R来等效，它的数值约为100Ω。由于晶 片的等效电感很大，而C很小，R也小，因此回路的品质因数Q 很大，可达1000～10000。加上晶片本身的谐振频率基本上只 与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确， 因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。
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压电材料
目前压电材料可分为三大类：
一是压电晶体(单晶)，它包括压电石英晶体和其 他压电单晶； 二是压电陶瓷(多晶半导瓷)； 三是新型压电材料， 又可分为压电半导体和有机 高分子压电材料两种。 在传感器技术中，目前国内外普遍应用的是压电 单晶中的石英晶体和压电多晶中的钛酸钡与锆钛酸铅 系列压电陶瓷。
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压电效应 (a)正压电效应；(b)压电效应的可逆性
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若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起 电介质内部正负电荷中心的相对位移而导致电介质 产生变形，且其应变S与外电场强度E成正比： S= dt E 式中 dt——逆压电常数矩阵。 这种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩。 可见，具有压电性的电介质(称压电材料)，能 实现机-电能量的相互转换。
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固 有 偶 极 子
(2) 无对称中心，且本身具有自发极化特性的结构
例1：具有极性轴或结构本身具有自发极化的结构
石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的 结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本 构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄 片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等）， 在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极 上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成 了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。 其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或 塑料封装的。
Guangdong Ocean University Xiong Zhengye
压电石英的主要性能特点是：
(1) 压电常数小，时间和温度稳定性极好； (2) 机械强度和品质因素高，且刚度大，固有频率高， 动态特性好； (3) 居里点573℃，无热释电性，且绝缘性、重复性 均好。
Guangdong Ocean University
• •
钛、氧离子的位移 自发极化：这种极化状态并非由外电场引起，而是由 晶体的内部结构引起。在这类晶体中，每一个晶胞内 存在有固有电矩，通常将这类晶体称为极性晶体。 一般介电极化，是介质在外电场作用下引起，没有外 电场，这些介质的极化强度为0。
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结果：
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，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。 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye
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压电陶瓷的特点是： 压电常数大，灵敏度高； 制造工艺成熟，可通过 合理配方和掺杂等人工 控制来达到所要求的性 能；成形工艺性也好， 成本低廉，利于广泛应 用。 压电陶瓷除有压电性外，还具有热释电性。因此它可制作热 电传感器件而用于红外探测器中。但作压电器件应用时，这会给 压电传感器造成热干扰，降低稳定性。所以，对高稳定性的传感 器，压电陶瓷的应用受到限制。 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye
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（4 ） 机械耦合系数：在压电效应中 , 其值等于转 换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能） 之比的平方根 ; 它是衡量压电材料机电能量转换 效率的一个重要参数。
（ 5 ） 电阻：压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏 , 从而改善压电传感器的低频特性。 （ 6 ） 居里点：压电材料开始丧失压电特性的温度 称为居里点。 （7）机械品质因数：压电振子在谐振时在一周期内 贮存的机械能与损耗的机械能之比。
电介质材料 Dielectric Materials
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电介质材料之压电材料
一 概述
介电体 压电体 热释电体 铁电体
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从石英晶体谐振器的等效电 路可知，它有两个谐振频率， 即（1）当L、C、R支路发 生串联谐振时，它的等效阻 抗最小（等于R）。串联揩 振频率用fs表示，石英晶体 对于串联揩振频率fs呈纯阻 性，（2）当频率高于fs时L、 C、R支路呈感性，可与电 容C0发生并联谐振，其并联 频率用fd表示。 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye
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等轴晶系（大于120oC） ： 晶胞常数：a=4.01A 氧离子的半径：的空隙为：4.01－2× 1.32= 1.37 钛离子的直径：2× 0.64= 1.28
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压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产 生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中 得到了广泛的应用。 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye
压电晶体产生压电效应
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未加应力
加应力产生极化， 正负电荷中心分开
当你在点燃煤气灶，热水器或打火机时，就有 一种压电陶瓷已悄悄地为你服务了一次。生产厂家 在这类压电点火装置内，藏着一块压电陶瓷，当用 户按下点火装置的弹簧时，传动装置就把压力施加 在压电陶瓷上，使它产生很高的电压，进而将电能 引向燃气的出口放电，于是，燃气就被电火花点燃 了。压电陶瓷的这种功能就叫做压电效应，压电陶 瓷就是一种常用的压电材料。
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主要参数
压电材料的主要特性参数有 :
（ 1 ） 压电常数：压电常数是衡量材料压电效应强 弱的参数 , 它直接关系到压电输出的灵敏度。
（ 2 ） 弹性常数：压电材料的弹性常数、 刚度决定 着压电器件的固有频率和动态特性。 （ 3 ） 介电常数：对于一定形状、 尺寸的压电元 件 , 其固有电容与介电常数有关 ; 而固有电容又 影响着压电传感器的频率下限。
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压电陶瓷
压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电体。所谓 “多晶”，它是由无数细微的单晶组成；所谓“铁电体”， 它具有类似铁磁材料磁畴的“电畴”结构。每个单晶形成一 单个电畴，无数单晶电畴的无规则排列，致使原始的压电陶 瓷呈现各向同性而不具有压电性。 要使之具有压电性，必须作极化处理，即在一定温度下 对其施加强直流电场，迫使“电畴”趋向外电场方向作规则 排列；极化电场去除后，趋向电畴基本保持不变，形成很强 的剩余极化，从而呈现出压电性 。
加应力不 产生极化
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在这些电介质的一定方向上施加机械力而产生变形时， 就会引起它内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化，从 而导致其两个相对表面(极化面)上出现符号相反的束缚电荷 Q，且其电位移D(在MKS单位制中即电荷密度σ)与外应力张 量T D=d T 或 σ =d T 式中 d——压电常数矩阵。 当外力消失，又恢复不带电原状；当外力变向，电荷 极性随之而变。这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。
它的时间稳定性好，居里点高达1200℃，在高 温、强幅射条件下，仍具有良好的压电性，且机械 性能，如机电耦合系数、介电常数、频率常数等均 保持不变。此外，它还具有良好的光电、声光效应， 因此在光电、微声和激光等器件方面都有重要应用。 被称为第二代压电晶体的代表。 不足之处是质地脆、抗机械和热冲击性差。
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石英晶体
石英晶体的外形(a)天然石英晶体； 理想石英晶体坐标系 (b)人工石英晶体；(c)右旋石英晶体 理想外形
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石英晶体俗称水晶，有天然和人工之分。目前 传感器中使用的均是以居里点为573℃，晶体的结构 为六角晶系的α-石英。
在压电单晶中除天然 和人工石英晶体外，锂盐 类压电和铁电单晶如铌酸 锂(LiNbO3)、钽酸锂 (LiTaO3)、锗酸锂LiGeO3) 等材料， 也已在传感器技 术中日益得到广泛应用， 其中以铌酸锂为典型代表。
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铌酸锂是一种无色或浅黄色透明铁电晶体。
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石英晶体振荡器
石英晶体振荡器是高精度和 高稳定度的振荡器，被广泛 应用于彩电、计算机、遥控 器等各类振荡电路中，以及 通信系统中用于频率发生器、 为数据处理设备产生时钟信 号和为特定系统提供基准信 号。
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1. 基本概念
压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产 生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压，则产生机械 应力（称为逆压电效应）。如果压力是一种高频震动，则产生 的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高 频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号。 也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的 功能 。
例2：由热运动引起的自发极化
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。
钛酸钡的结构：钙钛矿型结构
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当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电 容C0，它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关，一般约几 个PF到几十PF。当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L来 等效。一般L的值为几十mH到几百mH。晶片的弹性可用电容 C来等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1pF。晶片振动时 因摩擦而造成的损耗用R来等效，它的数值约为100Ω。由于晶 片的等效电感很大，而C很小，R也小，因此回路的品质因数Q 很大，可达1000～10000。加上晶片本身的谐振频率基本上只 与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确， 因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。
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压电材料
目前压电材料可分为三大类：
一是压电晶体(单晶)，它包括压电石英晶体和其 他压电单晶； 二是压电陶瓷(多晶半导瓷)； 三是新型压电材料， 又可分为压电半导体和有机 高分子压电材料两种。 在传感器技术中，目前国内外普遍应用的是压电 单晶中的石英晶体和压电多晶中的钛酸钡与锆钛酸铅 系列压电陶瓷。
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压电效应 (a)正压电效应；(b)压电效应的可逆性
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若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起 电介质内部正负电荷中心的相对位移而导致电介质 产生变形，且其应变S与外电场强度E成正比： S= dt E 式中 dt——逆压电常数矩阵。 这种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩。 可见，具有压电性的电介质(称压电材料)，能 实现机-电能量的相互转换。
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固 有 偶 极 子
(2) 无对称中心，且本身具有自发极化特性的结构
例1：具有极性轴或结构本身具有自发极化的结构
石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的 结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本 构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄 片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等）， 在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极 上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成 了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。 其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或 塑料封装的。
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压电石英的主要性能特点是：
(1) 压电常数小，时间和温度稳定性极好； (2) 机械强度和品质因素高，且刚度大，固有频率高， 动态特性好； (3) 居里点573℃，无热释电性，且绝缘性、重复性 均好。
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钛、氧离子的位移 自发极化：这种极化状态并非由外电场引起，而是由 晶体的内部结构引起。在这类晶体中，每一个晶胞内 存在有固有电矩，通常将这类晶体称为极性晶体。 一般介电极化，是介质在外电场作用下引起，没有外 电场，这些介质的极化强度为0。
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结果：
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，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。 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye