铁电体及其相变
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利用压电纤维能用来织成布 料，布料可用于制造利用人 体运动来发电的衣服、鞋等。
“压电效应”让人穿着衣服走路都能发电！
压电纤维织成布料，可用于制造衣服,鞋子
麻省理工学院(MIT)的Amanda Parkes设计
走路过程可以供应Mp3的电量 理想状况下人的十步能使两盏60瓦 的灯泡亮一秒钟 压电地板 1英尺乘1英尺的压电陶瓷板 有人踩过一块板，可以产生5.5瓦的电能
2008年美国Ramtron 国际公司成功制备出 1Mb的铁电存储器
J DmaxEdD 0
集成铁电学
微电子机械系统（MEMS） 铁电存储器（FeRAM）
声表面波滤波器（SAW）
压电效应应用
Piezoelectronics
ZnO纳米发电机
2008年《自然》杂志报道，美 国王中林小组研制出新型ZnO 纳米纤维的纳米发电机。
T 结构：三角晶系
Nb位于氧八面体 的中心
T Nb
Li
C
Li位于氧平面内
P 自发极化起因
0
顺电相
铁电相
Li和Nb发生沿c轴的位移，产生c轴的电偶极矩。
钽酸锂型铁电体
BiFeO3多铁性材料是典型铌酸锂结构的铁电体
多铁性化合物例子：同时具体(反）铁电和（反）铁磁性的材料。 （2008年被《Science》评为国际7大研究热点之一。） 利用铁性间的耦合及外场对其调控可实现新一代新型传感器和存 储器件，展现出诱人的应用前景，同时多铁效应起因的了解涉及
无线通信中的带通滤波器、频率振荡器、移相器等
（特别是在UHF（UltraHigh Frequency） 频段的应用）
评价微波介质陶瓷的性能指标：
Q ——介电常数
——损耗因子 ——频率温度稳定系数
测试：矢量网络分析仪
第四章 铁电体
§4.1 铁电体的晶体结构及分类 §4.2 几种典型的铁电有序相 §4.3 铁电相变的热力学理论 §4.4 铁电体的电畴和极化反转
B位离子中心位移八面体中心的运动。
四重轴
正八面体有4个三重轴， 3个四重轴和6
个二重轴，B位离子中心位移通常沿这 二重轴
三个方向之一。
钙钛矿铁电体的例子：
c轴方向产生自发极化
BaTiO3，PbTiO3，PbTi1-xZrxTiO3
层状钙钛矿铁电体的例子： Bi4Ti3O12
相变： BaTiO3是最早发现的一种钙钛矿铁电体
应力 电荷 磁致伸缩效应 铁电铁磁复合系统 Appl. Phys. Lett, 92,112905 (2008)
应用举例： 铁电存储器
原理：
两种极化状态
优点： •抗电磁干扰 •非易失性 结构相变 •低功耗
•速度快
Newman原理下的复合材料设计
1921年铁电存储技术 提出
1993年美国Ramtron 国际公司成功制备出 4Kb的铁电存储器
哪类晶系中可能存在铁电晶体？
在晶体32种点群中，有10个极性点群，只有属于这些点群的晶体
才具有自发极化，这些点群是： ε
纯旋转操作5个（1，2，3，4，6）， 旋转+镜面反映5个(m，2mm， 3m ，4mm，6mm)
3.存在铁电—顺电相变 自发极化只存在于一个温度范围，超过P某一温度自发极化消T0失，
晶体结构发生变化，发生铁电体到顺电体的相变。 自发极化为零的温度称相变温度。 自发极化为序参量，选择与极化相关的特征函数
处于顺电态时，满足居里-外斯定律:
居里-外斯温度
4.铁电极化相关的耦合效应 压电效应——极化和应力的耦合
rrr
极性电介质在一定方向上施加压应力时，内部产生极化现象， 两端表面上会出现束缚电荷；外力撤消后，恢复不带电状态， 称正压电效应。
Ni BaTiO3
多层膜电容的分类：(I) 温度补偿型 (Ⅱ) 温度稳定型 如：X7R、X9R
宽温区、低损耗、高介电、 高温度稳定性 应用指标： 在温度范围-55oC到125oC之间， 损耗在±15％变化范围 代表材料：改性BaTiO3
J. Electroceram (2010) 25:93
3. 微波介质陶瓷 应用领域：
第四章 电介质物理
§1 电介质的介电极化机制 §2 电介质的介电驰豫 §3 铁电体的晶体结构及分类 §4 铁电相变的热力学理论 §5 几种典型的铁电有序相
补充：电介质材料的应用
电介质材料的主要参数：
介电常数、损耗、电导和击穿
1. 高储能密度介电材料 参考：铅蓄电池 单位重量储存的能量为 ~32 W·h/kg
外加电场造成极性电介质发生形变，称逆压电效应 (或 电致伸缩效应)
热释电效应
由于温度的变化, 自发极化强度发生变化, 铁电体两端产生异号 的束缚电荷,这种现象称为热释电效应。
ε
P
热释电系数：
热释电系数
磁电耦合效应
正效应：磁Βιβλιοθήκη Baidu导致电极化的改变
磁场诱导晶体结构转变
压电效应
0T
乘积效应
磁场 应力
§10.1 铁电体的晶体结构和分类
具有自发极化且自发极化能随外电场
B
转向和变化，这类晶体为铁电体。
P
CA
自发极化起因于晶体非中心对称引起
正负电荷中心的不重合。
D
O
E
一、铁电体的一般性质
F
G
1. 电滞回线行为
电滞回线
铁电体的极化强度与外电场之间呈现非线性关系，极化强度随 外电场反向而反向。
2.铁电晶体结构属极性点群
二、铁电体的晶体结构和分类
铁电相变为结构相变，与晶体结构密切相关。晶体结构 是认识铁电性的基础。
1.钙钛矿型铁电体
A
最多的一类铁电体，
O-
通式：ABO3 (例：CaTiO3)
B+
晶体结构：
氧离子形成氧八面体，整个晶体可看成氧八面体共顶点联接 而成。 氧八面体间的间隙由A离子占据。
自发极化起因： 三重轴
顺电相
立方晶系
120oC
120oC
铁电相
四方晶系 四重轴的平移
5oC 铁电相
5oC
c轴方向产生自发极化
正交晶系 二重轴的平移
-90oC
-90oC
铁电相
三角晶系 三重轴的平移
立方相
P
增
四方相
加
三角相
正交相
铌酸锂型铁电体
LiNbO3是已知居里点最高(1210oC)和自发极化最大 (0.7C/m2)的铁电体
储能密度： 优点：耐高压、耐高温、高储能密度等 例：反铁电体锆钛酸铅（PZT)
2. 多层膜电容器
介电常数 tg 损耗
高容量存储
半导体器件大 电容、电感难
以集成？
例：片式多层陶瓷电容器(MLCC) —Multi-layer cramics capacitors
主要应用于CDMA、无绳电话、蓝牙、GPS中低功耗器件。
“压电效应”让人穿着衣服走路都能发电！
压电纤维织成布料，可用于制造衣服,鞋子
麻省理工学院(MIT)的Amanda Parkes设计
走路过程可以供应Mp3的电量 理想状况下人的十步能使两盏60瓦 的灯泡亮一秒钟 压电地板 1英尺乘1英尺的压电陶瓷板 有人踩过一块板，可以产生5.5瓦的电能
2008年美国Ramtron 国际公司成功制备出 1Mb的铁电存储器
J DmaxEdD 0
集成铁电学
微电子机械系统（MEMS） 铁电存储器（FeRAM）
声表面波滤波器（SAW）
压电效应应用
Piezoelectronics
ZnO纳米发电机
2008年《自然》杂志报道，美 国王中林小组研制出新型ZnO 纳米纤维的纳米发电机。
T 结构：三角晶系
Nb位于氧八面体 的中心
T Nb
Li
C
Li位于氧平面内
P 自发极化起因
0
顺电相
铁电相
Li和Nb发生沿c轴的位移，产生c轴的电偶极矩。
钽酸锂型铁电体
BiFeO3多铁性材料是典型铌酸锂结构的铁电体
多铁性化合物例子：同时具体(反）铁电和（反）铁磁性的材料。 （2008年被《Science》评为国际7大研究热点之一。） 利用铁性间的耦合及外场对其调控可实现新一代新型传感器和存 储器件，展现出诱人的应用前景，同时多铁效应起因的了解涉及
无线通信中的带通滤波器、频率振荡器、移相器等
（特别是在UHF（UltraHigh Frequency） 频段的应用）
评价微波介质陶瓷的性能指标：
Q ——介电常数
——损耗因子 ——频率温度稳定系数
测试：矢量网络分析仪
第四章 铁电体
§4.1 铁电体的晶体结构及分类 §4.2 几种典型的铁电有序相 §4.3 铁电相变的热力学理论 §4.4 铁电体的电畴和极化反转
B位离子中心位移八面体中心的运动。
四重轴
正八面体有4个三重轴， 3个四重轴和6
个二重轴，B位离子中心位移通常沿这 二重轴
三个方向之一。
钙钛矿铁电体的例子：
c轴方向产生自发极化
BaTiO3，PbTiO3，PbTi1-xZrxTiO3
层状钙钛矿铁电体的例子： Bi4Ti3O12
相变： BaTiO3是最早发现的一种钙钛矿铁电体
应力 电荷 磁致伸缩效应 铁电铁磁复合系统 Appl. Phys. Lett, 92,112905 (2008)
应用举例： 铁电存储器
原理：
两种极化状态
优点： •抗电磁干扰 •非易失性 结构相变 •低功耗
•速度快
Newman原理下的复合材料设计
1921年铁电存储技术 提出
1993年美国Ramtron 国际公司成功制备出 4Kb的铁电存储器
哪类晶系中可能存在铁电晶体？
在晶体32种点群中，有10个极性点群，只有属于这些点群的晶体
才具有自发极化，这些点群是： ε
纯旋转操作5个（1，2，3，4，6）， 旋转+镜面反映5个(m，2mm， 3m ，4mm，6mm)
3.存在铁电—顺电相变 自发极化只存在于一个温度范围，超过P某一温度自发极化消T0失，
晶体结构发生变化，发生铁电体到顺电体的相变。 自发极化为零的温度称相变温度。 自发极化为序参量，选择与极化相关的特征函数
处于顺电态时，满足居里-外斯定律:
居里-外斯温度
4.铁电极化相关的耦合效应 压电效应——极化和应力的耦合
rrr
极性电介质在一定方向上施加压应力时，内部产生极化现象， 两端表面上会出现束缚电荷；外力撤消后，恢复不带电状态， 称正压电效应。
Ni BaTiO3
多层膜电容的分类：(I) 温度补偿型 (Ⅱ) 温度稳定型 如：X7R、X9R
宽温区、低损耗、高介电、 高温度稳定性 应用指标： 在温度范围-55oC到125oC之间， 损耗在±15％变化范围 代表材料：改性BaTiO3
J. Electroceram (2010) 25:93
3. 微波介质陶瓷 应用领域：
第四章 电介质物理
§1 电介质的介电极化机制 §2 电介质的介电驰豫 §3 铁电体的晶体结构及分类 §4 铁电相变的热力学理论 §5 几种典型的铁电有序相
补充：电介质材料的应用
电介质材料的主要参数：
介电常数、损耗、电导和击穿
1. 高储能密度介电材料 参考：铅蓄电池 单位重量储存的能量为 ~32 W·h/kg
外加电场造成极性电介质发生形变，称逆压电效应 (或 电致伸缩效应)
热释电效应
由于温度的变化, 自发极化强度发生变化, 铁电体两端产生异号 的束缚电荷,这种现象称为热释电效应。
ε
P
热释电系数：
热释电系数
磁电耦合效应
正效应：磁Βιβλιοθήκη Baidu导致电极化的改变
磁场诱导晶体结构转变
压电效应
0T
乘积效应
磁场 应力
§10.1 铁电体的晶体结构和分类
具有自发极化且自发极化能随外电场
B
转向和变化，这类晶体为铁电体。
P
CA
自发极化起因于晶体非中心对称引起
正负电荷中心的不重合。
D
O
E
一、铁电体的一般性质
F
G
1. 电滞回线行为
电滞回线
铁电体的极化强度与外电场之间呈现非线性关系，极化强度随 外电场反向而反向。
2.铁电晶体结构属极性点群
二、铁电体的晶体结构和分类
铁电相变为结构相变，与晶体结构密切相关。晶体结构 是认识铁电性的基础。
1.钙钛矿型铁电体
A
最多的一类铁电体，
O-
通式：ABO3 (例：CaTiO3)
B+
晶体结构：
氧离子形成氧八面体，整个晶体可看成氧八面体共顶点联接 而成。 氧八面体间的间隙由A离子占据。
自发极化起因： 三重轴
顺电相
立方晶系
120oC
120oC
铁电相
四方晶系 四重轴的平移
5oC 铁电相
5oC
c轴方向产生自发极化
正交晶系 二重轴的平移
-90oC
-90oC
铁电相
三角晶系 三重轴的平移
立方相
P
增
四方相
加
三角相
正交相
铌酸锂型铁电体
LiNbO3是已知居里点最高(1210oC)和自发极化最大 (0.7C/m2)的铁电体
储能密度： 优点：耐高压、耐高温、高储能密度等 例：反铁电体锆钛酸铅（PZT)
2. 多层膜电容器
介电常数 tg 损耗
高容量存储
半导体器件大 电容、电感难
以集成？
例：片式多层陶瓷电容器(MLCC) —Multi-layer cramics capacitors
主要应用于CDMA、无绳电话、蓝牙、GPS中低功耗器件。