铁电性能

铁电材料的研究热点

铁电材料的研究热点摘要：铁电材料具有优秀的电学性能，其电子元件集成度高、能耗小、响应速度快。目前研究者将铁电材料同其它技术相结合，使新诞生的集成铁电材料性能更为优秀。本文介绍了有压电材料、储能用铁电介质材料、有机铁电薄膜材料、多铁性材料、铁电阻变材料的研究状况。关键词：铁电；压电材料；铁电储能；有机铁电薄膜材料；多铁性材料；铁电阻变 1 铁电材料的研究背景铁电体早在20世纪40年代就引起物理学界的关注，但由于大快铁电晶体材料不易薄膜化，与半导体和金属不相兼容，使其未能在材料和信息领域扮演重要的角色，随着薄膜技术的发展，克服了制备高质量铁电薄膜的技术障碍，特别是能在不同衬底材料上沉积高质量的外延或择优取向的薄膜，使铁电薄膜技术和半导体技术的兼容成为可能。由于人工铁电材料种类的不断扩大，特别是铁电薄膜技术和微电子集成技术长足发展，也对铁电材料提出了小型化，集成化等更高要求，正是在这样的研究背景下，传统的半导体材料和陶瓷材料结合而形成新的叫交叉学科——集成铁电学（Integrated Ferroc-Icctrics）出现了，并由此使铁电材料及其热释电器件的研究开发呈现了两个特点：①是由体材料组成的器件向薄膜器件过渡；②是由分立器件向集成化器件发展。

集成铁电体是凝聚态物理和固态电子学领域的热门课题之一。铁电材料有着丰富的物理内涵，除了具备铁电性之外，还具有压电性、介电性、热释电性、光电效应、声光效应、光折变效应以及非线性光学效应等众多性能，可用于制备电容器件、压力传感器、铁电存储器、波导管、光学存储器等一系列电子元件，铁电材料因其广阔的应用前景而倍受关注。目前的铁电器件往往仅单独用到了铁电材料中的单一性能，如压电性或者热释电性。将铁电材料中的性能综合在一起或者将铁点技术同半导体等其他技术结合在一起的集成铁电材料有着更为强大的功能。铁电材料的研究进展主要包括[1]：①提高现有材料的单一性能，儒压电材料中准同型相界以及合适的晶格取向会大幅度提高压电系数。②开发新型铁电材料，如存储能量的电介质和有机铁电材料。③将铁电性同其他性能结合，包括可以实现磁电互控的具备多种初级铁性的多铁材料，以及可以通过铁电极化调控材料内部电阻的铁电阻变材料。 2 压电材料由于压电薄膜具有优异的压电效应和逆压电效应并且介电常数高，稳定性好，因此制备出来的微型传感器和驱动器等压电器件有众多优势：①在高频共振体系中，传统的高频静电驱动器虽然有很大的进展，但是这类器件不仅要求发达的图像成形技术以满足小尺寸要求的同时还要克服容易受到外界环境的巨大影响的弱点，而压电材料本身谐振频率就在MHz~GHz之间，并且有着很好的温度稳定性，工艺

铁电物理学

目录摘要 0 1 电介质的极化 0 1.1 电介质的极化机制 0 1.2 克劳修斯－莫索提公式 (1) 1.3 极化弛豫 (1) 1.4 自发极化 (1) 1.5 极化灾变 (2) 2 铁电材料 (2) 2.1 概述 (2) 2.2 基本性质 (3) 2.3 研究进展 (4) 3 铁电性 (6) 3.1 自发极化 (6) 3.2 电畴 (7) 3.3 电滞回线 (7) 3.4 铁电体的介电常数 (8) 3.5 压电性 (8) 3.6 晶体结构和铁电体的分类 (9) 3.7铁电相变 (9) 3.8 反铁电性 (10) 3.9 铁电性的应用 (10)

浅谈铁电性 [摘要] 本文主要由三个部分组成。第一个部分主要阐述了电介质的极化，其中包括了电介质的极化机制、克劳修斯－莫索提公式、极化弛豫和极化灾变等方面。第二个部分主要介绍铁电材料。最后一个部分对铁电性进行论述，其中包括自发极化、电畴、电滞回线、铁电体的介电常数、压电性和晶体结构和铁电体的分类等方面。 1 电介质的极化外电场作用下，电介质显示电性的现象。在电场的影响下，物质中含有可移动宏观距离的电荷叫做自由电荷；如果电荷被紧密地束缚在局域位置上，不能作宏观距离移动，只能在原子范围内活动，这种电荷叫做束缚电荷。理想的绝缘介质内部没有自由电荷，实际的电介质内部总是存在少量自由电荷，它们是造成电介质漏电的原因。一般情形下，未经电场作用的电介质内部的正负束缚电荷平均说来处处抵消，宏观上并不显示电性。在外电场的作用下，束缚电荷的局部移动导致宏观上显示出电性,在电介质的表面和内部不均匀的地方出现电荷,这种现象称为极化，出现的电荷称为极化电荷。这些极化电荷改变原来的电场。充满电介质的电容器比真空电容器的电容大就是由于电介质的极化作用。 1.1 电介质的极化机制 ①电子极化，是在电场作用下原子核与负电子云之间相对位移，它们的等效中心不再重合而分开一定的距离l形成电偶极矩p e＝el(l由负电中心指向正电中心,e是电荷量,见电偶极子)。当电场不太强时,电偶极矩p e同有效电场成正比,p e=αe E ,式中αe称为电子极化率。②离子极化又称为原子极化，是在正负离子组成的物质中异极性离子沿电场向相反方向位移形成电偶极矩p a。p a与有效电场成正比,p a=αa E，αa称为离子极化率，这两种极化都同温度无关。③固有电矩的取向极化，某些电介质分子由于结构上的不对称性而具有固有电矩p。在无外电场时，由于热运动,这些分子的取向完全是无规的，电介质在宏观上不显示电性。在外电场的作用下，每个分子的电矩受到电场的力矩作用,趋于同外场平行,即趋于有序化；另一方面热运动使电矩趋于无序化。在一定的温度和一定的外电场下，两者达到平衡。固有电矩的取向极化也可以引入取向极化率αd描述,当电场强度不太大而温度不太低时,，k是玻耳兹曼常数，T是热力学温度。这种极化同温度的关系密切。④界面极化，由于电介质组分的不均

铁电材料性能研究

●总的看来，与其它各类阴极相比，铁电阴极具有自身独特的技术优势： (1) 铁电阴极可在常温下实现激励且伴生有空间电荷平衡的等离子体环境，使得电子束具有非常小的发散角度和较高的束亮度，所以铁电阴极又常称作铁电冷阴极(ferroelectric cold cathode)； (2) 通过阴极表面覆盖金属膜形状的设计，容易产生不同的束截面形状； (3) 铁电材料不怕“中毒”，因而对真空环境要求不苛刻； (4) 铁电材料价格低廉，易于制作，结构紧凑，坚固可靠； (5) 铁电冷阴极材料是绝缘体，功函数较低，因而可在较低的萃取电场作用下实现电子发射；(6) 铁电体的快极化反转理论上可产生5 210 A/cm 量级的最大电流密度，远远超过了热电子阴极和激光照射的光电阴极电子源。 (7) 发射电子能量高由周期性的自发极化反转产生的铁电体电子发射可用于新型的平面显示器。电子发射出现于电极形状决定的极化区域。因此，铁电显示器可做成投射型显示器，即通过投射转换把整幅图像一次性转换成电信号，而这对于一般场电子发射显示系统是不可能的。铁电陶瓷平板显示技术与其他一些平板显示技术相比,具有许多优点。铁电陶瓷板和铁电薄膜制备工艺较为简单,成本较低,可有效降低平板显示器的制造成本。同时可以根据需要制作出各种尺寸和形状的陶瓷板或薄膜,易于制作出大尺寸的平板显示器,满足市场的需要。现代陶瓷制备技术和薄膜制备技术可以保证制造出高度均匀的铁电陶瓷板和铁电薄膜,使得其在铁电发射时能均匀地发射电子,保证显示器亮度的均匀性。用铁电陶瓷或薄膜代替场致发射显示器中的微尖端场发射阵列,可以避免因微尖端场发射阵列制备不均匀而带来的显示器亮度不均问题。 ●铁电阴极发射的机理主要有两种： 1、快速极化反转引起的电子发射这种理论认为铁电材料具有自发极化强度 P，在平衡状态下，这种自发极化被表面电荷屏蔽。当施加外电场，机械压力，或者温度发生变化，都会导致 P 的反转，这时铁电材料表面原来的屏蔽电荷就会转变为非补偿性电荷，这种非补偿性

铁电性能综合测试概要

铁电薄膜的铁电性能测量引言铁电体是这样一类晶体:在一定温度范围内存在自发极化,自发极化具有两个或多个可能的取向,其取向可能随电场而转向.铁电体并不含“铁”,只是它与铁磁体具有磁滞回线相类似，具有电滞回线，因而称为铁电体。在某一温度以上，它为顺电相，无铁电性，其介电常数服从居里-外斯（Curit-Weiss）定律。铁电相与顺电相之间的转变通常称为铁电相变，该温度称为居里温度或居里点Tc。铁电体即使在没有外界电场作用下，内部也会出现极化，这种极化称为自发极化。自发极化的出现是与这一类材料的晶体结构有关的。晶体的对称性可以划分为32种点群。在无中心对称的21种晶体类型种除432点群外其余20种都有压电效应，而这20种压电晶体中又有10种具热释电现象。热释电晶体是具有自发极化的晶体，但因表面电荷的抵偿作用，其极化电矩不能显示出来，只有当温度改变，电矩（即极化强度）发生变化，才能显示固有的极化，这可以通过测量一闭合回路中流动的电荷来观测。热释电就是指改变温度才能显示电极化的现象，铁电体又是热释电晶体中的一小类，其特点就是自发极化强度可因电场作用而反向，因而极化强度和电场E 之间形成电滞回线是铁电体的一个主要特性。自发极化可用矢量来描述，自发极化出现在晶体中造成一个特殊的方向。晶体红，每个晶胞中原子的构型使正负电荷重心沿这个特殊方向发生位移，使电荷正负中心不重合，形成电偶极矩。整个晶体在该方向上呈现极性，一端为正，一端为负。在其正负端分别有一层正和负的束缚电荷。束缚电荷产生的电场在晶体内部与极化反向（称为退极化场），使静电能升高，在受机械约束时，伴随着自发极化的应变还将使应变能增加，所以均匀极化的状态是不稳定的，晶体将分成若干小区域，每个小区域称为电畴或畴，畴的间界叫畴壁。畴的出现使晶体的静电能和应变能降低，但畴壁的存在引入了畴壁能。总自由能取极小值的条件决定了电畴的稳定性。参考资料 [1]钟维烈，铁电物理学，科学出版社，1996。 [2]干福熹，信息材料，天津大学出版社，2000 [3]J.F.Scoot,Ferroelectric Memories,Springer,2000。实验目的一、了解什么是铁电体，什么是电滞回线及其测量原理和方法。二、了解铁薄膜材料的功能和应用前景。实验原理一、铁电体的特点 1．电滞回线铁电体的极化随外电场的变化而变化，但电场较强时，极化与电场之间呈非线性关系。在电场作用下新畴成核长，畴壁移动，导致极化转向，在电场很弱时，极化线

压电铁电材料的研究

压电铁电材料的研究介绍了压电铁电材料，及其特点,探讨了压电铁电材料的制备方法。标签：压电材料; 铁电材料 1 引言压电材料最早由Jacques和Pierre Curie兄弟于1880年发现的，居里兄弟在研究热电现象和晶体对称性的时候，在α石英晶体上最先发现了压电效应。1881年，居里兄弟用实验证实了压电晶体在外加电场作用下会发生形变。绝大部分压电体来源于铁电体。一般认为，铁电性的研究始于1920年，是法国人Valasek 发现的铁电现象，他观察到罗息盐（酒石酸钾钠，NaKC4H4O64H2O）的极化可以在施加外电场的情况下反向。1935-1938年，苏联的G. Busch和P. Schemer研制出水溶性压电晶体磷酸二氢钾(KH2PO4，简称KDP)和磷酸二氢氨((NH4)H2PO4，简称ADP)，在四十年代得到了广泛应用，对压电铁电材料的发展起了很大的推动作用。目前，世界上的铁电元件的年产值己达数百亿美元。铁电材料是一个比较庞大的家族，目前应用得最好的是陶瓷系列。但是由于铅的有毒性及此类铁电材料居里温度低、耐疲劳性能差等原因，应用范围受到了限制。开发新一代铁电材料己成为当今的热门问题。 2 压电铁电材料的特点压电材料是实现机械能与电能相互转换的功能材料，在电、磁、声、光、热、湿、气、力等功能转换器件中发挥着重要的作用，具有广阔的应用前景。压电材料按其化学组成和形态分为压电单晶、压电陶瓷、压电聚合物及复合压电材料四类。其中压电陶瓷系列品种众多，应用广泛。压电效应是一种机电耦合效应，可将机械能转换为电能，这种效应称为正压电效应。反之，如果将一块压电晶体置于外电场中，由于外电场的作用，会引起晶体内部正负电荷中心的位移，这一极化位移又会导致晶体发生形变，称为逆压电效应。这两种效应统称为压电效应，具有压电效应的材料称为压电材料。在具有压电效应的材料中，具有自发极化，而且其自发极化强度可以因外电场反向而反向，或者在电场作用下不可反向但可以重取向的晶体称之为铁电体(ferroelectrics)。铁电体中的自发极化有两个或多个可能的取向。所有铁电体都可

铁电陶瓷材料的研究现状和应用

铁电陶瓷材料的研究现状和应用 1、层状铁电陶瓷（1）Bi系目前，研究较多、并且用于制备铁电陶瓷材料的是钙钛矿结构的锆钛酸铅（简称PZT）系列。此系列的突出优点是剩余极化较大Pr（10~35 μC/cm 2）、热处理温度较低（600℃左右）。但是随着研究的深入，人们发现，在经过累计的极化反转之后PZT系列性能退化，主要表现在出现高的漏电流和较严重的疲劳问题，另外，铅的挥发对人体也有害。因此研究和开发性能优良且无铅的铁电陶瓷具有重要的现实意义。而铋系层状钙钛矿结构材料属于铁电材料类且性能较好又不含铅，因此受到人们的广泛关注。（2）(Pb,Ba)(Zr,Ti)O3系 (Pb,Ba)(Zr,Ti)O3（简称PBZT）系陶瓷与Pb(Zr,Ti)O3(PZT)同属于ABO3型钙钛矿结构，具有较大的电致伸缩应变，在电子微位移动领域已得到广泛应用。但在使用过程中发现这类铁电陶瓷因其脆性和较低的强度影响了其产品的耐久性和使用寿命，因此改善其机械性能已引起人们的重视。 2、弛豫型铁电陶瓷弛豫型铁电体（relaxation ferroelectrics，简称RF）是指顺电—铁电转变属于弥散相变的一类铁电材料，它同时具有铁电现象和弛豫现象。与典型铁电体相比，弛豫型铁电体的一个典型特征是复介电常数（ε*(ω) =ε'(ω) ?ε"(ω)，ω为角频率）的实部ε'(ω)随温度变化呈现相对宽且变化平缓的峰，其最大ε'(ω)值对应的温度Tm随ω的增加而向高温移动。该特征与结构玻璃（structureglass）化转变、自旋玻璃（spin glass）化转变的特征极为相似。所以，弛豫型铁电体又被称为极性玻璃（polar glass），相应的弛豫铁电相变又被称为极性玻璃化转变。迄今为止，虽然人们对弛豫铁电相变进行了大量的实验测量和理论探索，但是仍然没有被普遍接受的弛豫铁电相变模型，所以对弛豫铁电相变机制的研究一直是该领域研究的热点问题之一。另外，现有的一些弛豫铁电体具有优良的铁电、压电和热释电性能，因而具有广泛而重要的应用。 3、含铅型铁电陶瓷铌镁酸铅Pb(Mg1.3Nb2.3)O3(简称PMN)铁电陶瓷材料以很高的介电常数、相当大的电致伸缩效应、较低的容温变化率和几乎无滞后的特点，一直受到人们的关注，在多层陶瓷电容器、新型微位移器、执行器和机敏材料器件及新型电致伸缩器件等领域有着巨大的应用前景。

铋系层状钙钛矿结构铁电材料研究现状

铋系层状钙钛矿结构铁电材料研究现状【摘要】铋系层状钙钛矿铁电材料（BLSFs）以其优良的疲劳性能和铁电特性而受到广泛的关注，本文探讨铋系层状钙钛矿铁电材料基本特点、性能及研究现状，针对几种典型铋系层状钙钛矿铁电材料，讨论其主要性能及性能改善的各种工艺方法，利用这些改进的工艺方法可以对实现铋系层状钙钛矿铁电材料性能的可控制备。【关键词】铁电材料；层状钙钛矿结构；改性工艺 0 引言近年来，在新材料研究方面，铋系层状钙钛矿铁电材料（BLSFs）以其优良的疲劳性能和铁电特性而受到人们广泛的重视，铋系层状结构钙钛矿型铁电材料是一种具有铋氧层[（Bi2O2）2+]和伪钙钛矿层沿c轴相互交叉而形成的铁电材料，伪钙钛矿层具有化学通式（Am-1BmO3m+1）2-，其中A位为1价、2价或3价离子（如Sr2+、Ba2+、Bi3+等），B位是4价或5价离子（如Ti4+，Ta5+，Nb5+等），m是伪钙钛矿层中MO6八面体的数目。当m趋于∞时，层状钙钛矿铁电体就变为简单钙钛矿结构。 1 铋系层状钙钛矿结构的特点 SrBi2Ta2O9（SBT）是最初被广泛研究的层状钙钛矿铁电体。SrBi2Ta2O9中m=2，即相邻两个Bi2O2层之间夹着2个钙钛矿层，Ta位于氧八面体的中心（B位），Sr位于相邻氧八面体的填隙位置（A位），Bi元素全部在铋氧层中。在高温顺电相中，SBT的空间群为I4/mmm，居里点（约340℃）以下，形成空间群为A21am的正交铁电相。SBT 的剩余极化方向沿a轴，值约为6μC/cm2，在c方向没有极化。结构与SBT类似的有SrBi2Nb2O9 （SBN），居里点约为440℃，剩余极化与SBT相近。 Bi4Ti3O12（m=3）是另外一种层状钙钛矿铁电材料，居里温度为675 ℃，发生铁电相变时由高温四方相I4/mmm变为接近正交相的单斜相（空间群为Fmmm）。铁电相变引起的畸变主要是氧八面体的整体倾转，所以对于m为奇数或偶数的情况，垂直c轴和顶点氧位移构成的平面的对称元素分别是2次轴和m 面。如果我们习惯上把a 轴作为极化方向的话，那么在对于m为奇数和偶数时候，空间群分别为A心和B心，唯一的例外是单层结构的Bi2WO6。m为奇数时，由于垂直c轴的对称元素为2次轴，所以c向上存在较小剩余极化。随着研究的更进一步深入，更多层的层状钙钛矿铁电材料如SrBi4Ti4O15（m=4）、Sr2Bi4Ti5O18（m=5）等的铁电性质研究也有报道。 2 铋系层状钙钛矿结构性能优化

铁电薄膜铁电性能的表征

铁电性【引言】铁电体是这样一类晶体:在一定温度范围内存在自发极化,自发极化具有两个或多个可能的取向,其取向可能随电场而转向.铁电体并不含“铁”,只是它与铁磁体具有磁滞回线相类似，具有电滞回线，因而称为铁电体。在某一温度以上，它为顺电相，无铁电性，其介电常数服从居里-外斯（Curit-Weiss）定律。铁电相与顺电相之间的转变通常称为铁电相变，该温度称为居里温度或居里点Tc。铁电体即使在没有外界电场作用下，内部也会出现极化，这种极化称为自发极化。自发极化的出现是与这一类材料的晶体结构有关的。晶体的对称性可以划分为32种点群。在无中心对称的21种晶体类型种除432点群外其余20种都有压电效应，而这20种压电晶体中又有10种具热释电现象。热释电晶体是具有自发极化的晶体，但因表面电荷的抵偿作用，其极化电矩不能显示出来，只有当温度改变，电矩（即极化强度）发生变化，才能显示固有的极化，这可以通过测量一闭合回路中流动的电荷来观测。热释电就是指改变温度才能显示电极化的现象，铁电体又是热释电晶体中的一小类，其特点就是自发极化强度可因电场作用而反向，因而极化强度和电场E 之间形成电滞回线是铁电体的一个主要特性。自发极化可用矢量来描述，自发极化出现在晶体中造成一个特殊的方向。晶体中，每个晶胞中原子的构型使正负电荷重心沿这个特殊方向发生相对位移，使电荷正负重心不重合，形成电偶极矩。整个晶体在该方向上呈现极性，一端为正，一端为负。在其正负端分别有一层正和负的束缚电荷。束缚电荷产生的电场在晶体内部与极化反向（称为退极化场），使静电能升高，在受机械约束时，伴随着自发极化的应变还将使应变能增加，所以均匀极化的状态是不稳定的，晶体将分成若干小区域，每个小区域内部电偶极子沿同一方向，但各个小区域电偶极子方向不同，这些小区域称为电畴或畴，畴的间界叫畴壁。畴的出现使晶体的静电能和应变能降低，但畴壁的存在引入了畴壁能。总自由能取极小值的条件决定了电畴的稳构型。二、实验目的 1、了解什么是铁电体，什么是电滞回线及其测量原理和方法。 2、了解铁薄膜材料的功能和应用前景。三、实验原理 1、铁电体的特点（1）电滞回线铁电体的极化随外电场的变化而变化，但电场较强时，极化与电场之间呈非线性关系。在电场作用下新畴成核长，畴壁移动，导致极化转向，在电场很弱时，极化线性地依赖于电场见图(12.2-1) ,此时可逆的畴壁移动成为不可逆的，极化随电场的增加比线性段快。当电场达到相应于B点值时，晶体成为单畴，极化趋于饱和。电场进一步增强时，由于感应极化的增加，总极化仍然有所增大(BC)段。如果趋于饱和后电场减小，极化将循 CBD段曲线减小，以致当电场达到零时，晶

铁电材料的特性及应用综述

铁电材料的特性及应用综述孙敬芝（河北联合大学材料科学与工程学院河北唐山 063009）摘要：铁电材料具有良好的铁电性、压电性、热释电以及性光学等特性以及原理，铁电材料是具有驱动和传感2 种功能的机敏材料, 可以块材、膜材(薄膜和厚膜) 和复合材料等多种形式应用, 在微电子机械和智能材料与结构系统中具有广阔的潜在应用市场。关键词：铁电材料；铁电性；应用前景 C haracteristics and Application of Ferroelectric material Sun Jingzhi ( Materials Science and Engineering college, Hebei United University Tangshan 063009,China ) Abstract:Ferroelectric material has good iron electrical, piezoelectric , pyroelectric and nonlinear optical properties, such as a driver and sensing two function piezoelectric materials, can block material, membrane materials (film and thick film) and the compound Material of a variety of forms such as application, in microelectromechanical and intelligent materials and structures in the system with vast potential application market. Keywords: ferroelect ric materials Iron electrical development trend 0前言晶体按几何外形的有限对称图象, 可以分为32 种点群, 其中有10 种点群: 1, 2, m , mm 2, 4,4mm , 3, 3m , 6, 6mm , 它们都有自发极化。从对称性分析它们的晶体结构都具有所谓的极轴, 即利用对称操作不能实现与晶体的其它晶向重合的轴向, 极轴二端具有不同的物理性能。从物理性质上看, 它们不但具有自发极化, 而且其电偶极矩在外电场作用下可以改变方向。在介电强度允许条件下, 能够形成电滞回线。晶体这种性能称为铁电性, 具有铁电性的材料称为铁电材料。1920 年法国人V alasek 发现了罗息盐(酒石酸钾钠 ) 的特异介电性, 导致“铁电性”概念的出现(也有人认为概念出现更早)。现在各种铁电材料十分丰富,

铁电薄膜铁电性能的表征

铁电薄膜铁电性能的表征摘要:本文简述铁电体的特性及其原因，并在不同电压测量了铁电体的电滞回线，并比较了不同电压下各重要参数的变化规律，最后对实验的结果进行了讨论与分析。关键词: 电畴,电滞回线,极化,趋势线引言铁电体是这样一类晶体:在一定温度范围内存在自发极化,自发极化具有两个或多个可能的取向,其取向可能随电场而转向.铁电体并不含“铁”,只是它与铁磁体具有磁滞回线相类似，具有电滞回线，因而称为铁电体。在某一温度以上，它为顺电相，无铁电性，其介电常数服从居里-外斯（Curit-Weiss）定律。铁电相与顺电相之间的转变通常称为铁电相变，该温度称为居里温度或居里点Tc。铁电体即使在没有外界电场作用下，内部也会出现极化，这种极化称为自发极化。自发极化的出现是与这一类材料的晶体结构有关的。晶体的对称性可以划分为32种点群。在无中心对称的21种晶体类型种除432点群外其余20种都有压电效应，而这20种压电晶体中又有10种具热释电现象。热释电晶体是具有自发极化的晶体，但因表面电荷的抵偿作用，其极化电矩不能显示出来，只有当温度改变，电矩（即极化强度）发生变化，才能显示固有的极化，这可以通过测量一闭合回路中流动的电荷来观测。热释电就是指改变温度才能显示电极化的现象，铁电体又是热释电晶体中的一小类，其特点就是自发极化强度可因电场作用而反向，因而极化强度和电场E 之间形成电滞回线是铁电体的一个主要特性。自发极化可用矢量来描述，自发极化出现在晶体中造成一个特殊的方向。晶体红，每个晶胞中原子的构型使正负电荷重心沿这个特殊方向发生位移，使电荷正负中心不重合，形成电偶极矩。整个晶体在该方向上呈现极性，一端为正，一端为负。在其正负端分别有一层正和负的束缚电荷。束缚电荷产生的电场在晶体内部与极化反向（称为退极化场），使静电能升高，在受机械约束时，伴随着自发极化的应变还将使应变能增加，所以均匀极化的状态是不稳定的，晶体将分成若干小区域，每个小区域称为电畴或畴，畴的间界叫畴壁。畴的出现使晶体的静电能和应变能降低，但畴壁的存在引入了畴壁能。总自由能取极小值的条件决定了电畴的稳定性。一、实验目的： 1、了解铁电参数测试仪的工作原理和使用方法 2、了解什么是铁电体，什么是电滞回线及其测量原理和方法。 3、了解非挥发铁电随机读取存储器的工作原理及性能表征。二、实验原理： 1、铁电体的特点（1）电滞回线铁电体的极化随外电场的变化而变化，但电场较强时，极化与电场之间呈非线性关系。在电场作用下新畴成核长，畴壁移动，导致极化转向，在电场很弱时，极化线性地依赖于电场见图1 ,此时可逆的畴壁移动成为不可逆的，极化随电场的增加比线性段快。当电场达到相应于B点值时，晶体成为单畴，极化趋于饱和。电场进一步增强时，由于感应极化

实验29-铁电性能测量实验讲义全

铁电体电滞回线的测量铁电材料是一类具有自发极化，而且其自发极化矢量在外电场作用下可以翻转的电介质材料，它具有优异的铁电、压电、介电、热释电及电光性能，在非挥发性铁电存储器、压电驱动器、电容器、红外探测器和电光调制器等领域有重要的应用。铁电材料的主要特征是具有铁电性，即极化强度与外电场之间具有电滞回线的关系，如图1所示。电滞回线是铁电体的重要特征和重要判据之一，通过电滞回线的测量可以得到自发极化强度P s 、剩余极化强度P r 、矫顽场E c 等重要铁电参数，理解铁电畴极化翻转的动力学过程。【实验目的】 1. 了解铁电测试仪的工作原理和使用方法。 2. 掌握电滞回线的测量及分析方法。 3. 理解铁电材料物理特性及其产生机理。【实验仪器】本实验采用美国Radiant Technology 公司生产的RT Premier Ⅱ型标准铁电测试仪，该仪器可以测量铁电材料的电滞回线、漏电流、疲劳、印痕、PUND (Positive Up Negative Down)等性能，而且配备了变温系统和热释电软件还可以测量热释电性能。【实验原理】铁电体的自发极化强度并非整个晶体为同一方向，而是包括各个不同方向的自发极化区域，其中具有相同自发极化方向的小区域叫做铁电畴。电滞回线的产生是由于铁电晶体中存在铁电畴。铁电体未加电场时，由于自发极化取向的任意性和热运动的影响，宏观上不呈现极化现象。当加上外电场大于铁电体的矫顽场时，沿电场方向的电畴由于新畴核的形成和畴壁的运动，体积迅速扩大，而逆电场方向的电畴体积则减小或消失，图2 铁电测试等效电路图 O +E c -P r P E +P r -E c P S 图1 铁电体的电滞回线

铁电性质的测定

我的课题是做铁电材料，相关的电分析化学知识不太多，但是我们要用到铁电仪对材料的铁电性质做一个表征，也不知道算不算电分析的范畴，节选一些内容向田丹碧老师做一下汇报------写在前面的话铁电体是这样一类晶体:在一定温度范围内存在自发极化,自发极化具有两个或多个可能的取向,其取向可能随电场而转向.铁电体并不含“铁”,只是它与铁磁体具有磁滞回线相类似，具有电滞回线，因而称为铁电体。在某一温度以上，它为顺电相，无铁电性，其介电常数服从居里-外斯（Curit-Weiss）定律。铁电相与顺电相之间的转变通常称为铁电相变，该温度称为居里温度或居里点Tc。铁电体即使在没有外界电场作用下，内部也会出现极化，这种极化称为自发极化。自发极化的出现是与这一类材料的晶体结构有关的。晶体的对称性可以划分为32种点群。在无中心对称的21种晶体类型种除432点群外其余20种都有压电效应，而这20种压电晶体中又有10种具热释电现象。热释电晶体是具有自发极化的晶体，但因表面电荷的抵偿作用，其极化电矩不能显示出来，只有当温度改变，电矩（即极化强度）发生变化，才能显示固有的极化，这可以通过测量一闭合回路中流动的电荷来观测。热释电就是指改变温度才能显示电极化的现象，铁电体又是热释电晶体中的一小类，其特点就是自发极化强度可因电场作用而反向，因而极化强度和电场E 之间形成电滞回线是铁电体的一个主要特性。自发极化可用矢量来描述，自发极化出现在晶体中造成一个特殊的方向。晶体红，每个晶胞中原子的构型使正负电荷重心沿这个特殊方向发生位移，使电荷正负中心不重合，形成电偶极矩。整个晶体在该方向上呈现极性，一端为正，一端为负。在其正负端分别有一层正和负的束缚电荷。束缚电荷产生的电场在晶体内部与极化反向（称为退极化场），使静电能升高，在受机械约束时，伴随着自发极化的应变还将使应变能增加，所以均匀极化的状态是不稳定的，晶体将分成若干小区域，每个小区域称为电畴或畴，畴的间界叫畴壁。畴的出现使晶体的静电能和应变能降低，但畴壁的存在引入了畴壁能。总自由能取极小值的条件决定了电畴的稳定性。实验原理及其实验仪器 1、铁电体的特点（1）电滞回线铁电体的极化随外电场的变化而变化，但电场较强时，极化与电场之间呈非线性关系。在电场作用下新畴成核长，畴壁移动，导致极化转向，在电场很弱时，极化线性地依赖于电场见图(12.2-1) ,此时可逆的畴壁移动成为不可逆的，极化随电场的增加比线性段快。当电场达到相应于B点值时，晶体成为单畴，极化趋于饱和。电场进一步增强时，由于感应极化的增加，总极化仍然有所增大(BC)段。如果趋于饱和后电场减小，极化将循 CBD段曲线减小，以致当电场达到零时，晶体仍保留在宏观极化状态，线段OD表示的极化称为剩余极化Pr。将线段CB外推到与极化轴相交于E，则线段OE 为饱和自发极化Ps。如果电场反向，极化将随之降低并改变方向，直到电场等于某一值时，极化又将趋于饱和。这一过程如曲线DFG所示，OF所代表的电场是使极化等于零的电场，称为矫顽场 Ec。电场在正负饱和度之间循环一周时，极化与电场的关系如曲线CBDFGHC所示此曲线称为电滞回线。

铁电薄膜中180°荷电畴壁的亚埃尺度结构特性

第３７卷第５期２０１８年１０月电一子一显一微一学一报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｉｎｅｓｅＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙＳｏｃｉｅｔｙＶｏｌ３７，Ｎｏ５２０１８?１０文章编号：１０００?６２８１（２０１８）０５?０４６８?０６一一铁电薄膜中１８０?荷电畴壁的亚埃尺度结构特性邹敏杰１，２，唐云龙１，冯燕朋１，３，朱银莲１，马秀良１? （１．中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室，辽宁沈阳１１００１６；２．中国科学技术大学，安徽合肥２３００２６；３．中国科学院大学，北京１０００４９）摘一要一一本文利用透射电子显微术研究了铁电ＰｂＴｉＯ３薄膜中形成的锯齿状头对头１８０?荷电畴壁三衬度分析表明薄膜中存在高密度的１８０?畴三像差校正电镜研究发现１８０?畴壁处晶格转角呈现顺时针和逆时针交替排布，其极化呈头对头分布，且在１８０?畴壁处面外晶格受到压缩而面内晶格参数保持不变，进而导致了畴壁处四方度的减小，认为这种畴壁的形成是由表面或界面电荷分布不均匀导致反向ｃ畴在该处形核长大造成三关键词一一铁电薄膜；１８０?畴；像差校正电子显微学；ＰｂＴｉＯ３中图分类号：ＴＢ３８３；Ｏ７６；ＴＧ１１５２１＋５３一一文献标识码：Ａ一一ｄｏｉ：１０３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００?６２８１２０１８０５０１１收稿日期：２０１８－０６－１３；修订日期：２０１８－０７－０１基金项目：国家自然科学基金资助项目（Ｎｏｓ．５１６７１１９４，５１５７１１９７，５１５０１１９４）．作者简介：邹敏杰（１９９１－），男（汉族），安徽合肥人，在读研究生．Ｅ?ｍａｉｌ：ｍｊｚｏｕ１４ｓ＠ｉｍｒ．ａｃ．ｃｎ?通讯作者：马秀良（１９６４－），男（满族），辽宁丹东人，研究员．Ｅ?ｍａｉｌ：ｘｌｍａ＠ｉｍｒ．ａｃ．ｃｎ一一铁电薄膜材料由于其在室温下存在自发铁电极化，并可实现与外加电场二磁场和应力场之间的相互耦合［１－２］，以及理论预测中的全闭合畴二涡旋畴在铁电薄膜中相继被发现［３－５］，使其在下一代高密度非易失性存储器二制动器以及超薄铁电电容器具有巨大的应用前景三铁电薄膜中的畴二畴壁二界面结构及薄膜中的缺陷结构对铁电薄膜的性能有着巨大的影响［６－８］，因此对铁电薄膜中畴二畴壁以及界面的研究尤其是原子尺度的结构特性研究对该类材料的研发设计具有重要的指导意义三ＰｂＴｉＯ３（ＰＴＯ）作为一种典型的四方铁电体，其室温下的铁电极化沿着ｃ轴方向，基于ｃ轴在薄膜内部的分布，可将薄膜中的畴分为ａ１二ａ２和ｃ畴［９］；根据畴壁两侧铁电极化方向之间的夹角，可将ＰＴＯ中的畴分为９０?和１８０?畴三这两种畴的形成与衬底施加的应变密切相关，一般认为在无应变或较小应变条件下，薄膜中会形成１８０?畴，随着失配应变的增加，会形成９０?ａ／ｃ畴或ａ１／ａ２畴［９－１１］三其中对于９０?畴，由于铁电极化和应变场的强烈耦合作用，导致其在外电场作用下难于翻转，而对于１８０?畴，一般认为其具有相同的应变状态而在电场下易于翻转［１２］三进一步的研究表明，１８０?畴的形核和长大与四方ＰｂＺｒ０２Ｔｉ０８Ｏ３薄膜在外电场作用下的翻转行为密切相关［１３］，因此研究１８０?畴的结构特征及其形成长大机制有助于进一步理解铁电薄膜的翻转行为三早期Ｘ射线研究表明ＰＴＯ薄膜在降温过程中会形成周期性条状分布的１８０?畴，其周期随着薄膜厚度的减小而降低以屏蔽去极化场［１４］三后续相继有人分别利用普通透射电子显微镜（ＴＥＭ）衍衬分析［１５］和像差校正透射电子显微镜［１６］分析了这种条状分布的１８０?畴三在四方铁电体薄膜中，除了会形成这种条状分布的１８０?畴，贾等报道了在ＳｒＴｉＯ３（ＳＴＯ）夹持的ＰｂＺｒ０２Ｔｉ０８Ｏ３薄膜中形成了横向二纵向以及混合排布的１８０?畴，并利用负球差技术详细解析了这种畴壁结构特征［１７］三基于以上工作，本文选用对ＰＴＯ几乎无应变的ＳＴＯ衬底以避免９０?畴的产生，设计生长了单层厚度为１００ｎｍ的ＰＴＯ薄膜，利用普通ＴＥＭ衍衬分析和像差校正透射电子显微镜来研究薄膜中１８０?畴结构三１一实验方法实验上利用脉冲激光沉积技术在（１００）取向的单晶ＳｒＴｉＯ３（ＳＴＯ）衬底上外延生长厚度为１００ｎｍ的ＰＴＯ薄膜三所使用的ＰＴＯ靶材是Ｐｂ过量３％ｍｏｌ的多晶烧结陶瓷靶三薄膜生长参数为：沉积温度７００?，氧压１０Ｐａ，激光能量３７０ｍＪ，激光频率为４Ｈｚ三薄膜生长完毕退火条件为：先在７００?氧压为２６６ｋＰａ下保温５ｍｉｎ，后以５?／ｍｉｎ降温至２００?后自然冷却至室温三

铁电薄膜铁电性能的表征实验报告_南京大学

铁电薄膜铁电性能的表征一、实验目的 1、了解什么是铁电体，什么是电滞回线及其测量原理和方法。 2、了解非挥发铁电随机读取存储器的工作原理及性能表征。二、实验原理 1、铁电体的特点（1）电滞回线铁电体的极化随外电场的变化而变化，但电场较强时，极化与电场之间呈非线性关系。在电场作用下新畴成核长，畴壁移动，导致极化转向，在电场很弱时，极化线性地依赖于电场见图1,此时可逆的畴壁移动成为不可逆的，极化随电场的增加比线性段快。当电场达到相应于B 点值时，晶体成为单畴，极化趋于饱和。电场进一步增强时，由于感应极化的增加，总极化仍然有所增大(BC)段。如果趋于饱和后电场减小，极化将循 CBD 段曲线减小，以致当电场达到零时，晶体仍保留在宏观极化状态，线段OD 表示的极化称为剩余极化Pr 。将线段CB 外推到与极化轴相交于E ，则线段OE 为饱和自发极化Ps 。如果电场反向，极化将随之降低并改变方向，直到电场等于某一值时，极化又将趋于饱和。这一过程如曲线DFG 所示，OF 所代表的电场是使极化等于零的电场，称为矫顽场Ec 。电场在正负饱和度之间循环一周时，极化与电场的关系如曲线CBDFGHC 所示此曲线称为电滞回线。图1铁电体的电滞回线 V 图2 电滞回线的显示电滞回线可以用图2的装置显示出来（这就是著名的Sawyer-Tower 电路），以电晶体作

介质的电容Cx 上的电压V 是加在示波器的水平电极板上，与Cx 串联一个恒定电容Cy(即普通电容)，Cy 上的电压Vy 加在示波器的垂直电极板上，很容易证明Vy 与铁电体的极化强度P 成正比，因而示波器显示的图象，纵坐标反映P 的变化，而横坐标Vx 与加在铁电体上外电场强成正比，因而就可直接观测到P-E 的电滞回线。下面证明Vy 和P 的正比关系，因 y x x y x y C C C C V V = =ωω11 式中 ω为图中电源V 的角频率 d S C x 0εε = ε为铁电体的介电常数,0ε 为真空的介电常数,S 为平板电容x C 的面积，d 为平行平板间距离，代入（1）式得： E C S d V C S V C C V y x y x Y x y 00εεεε=== (2) 根据电磁学 E E E P χεεεεε000)1(=≈-=(3) 对于铁电体>>ε 1，固有后一近似等式，代入（2）式， P C S V y y = 因S 与 y C 都是常数，故Vy 与P 成正比。（2）居里点Tc 当温度高于某一临界温度Tc 时,晶体的铁电性消失。这一温度称为铁电体的居里点。由于铁电体的消失或出现总是伴随着晶格结构的转变，所以是个相变过程，已发现铁电体存在两种相变：一级相变伴随着潜热的产生，二级相变呈现比热的突变，而无潜热发生，又铁电相中自发极化总是和电致形变联系在一起，所以铁电相的晶格结构的对称性要比非铁电相为低。如果晶体具有两个或多个铁电相时，最高的一个相变温度称为居里点，其它则称为转变温度。（3）居里-外斯定律由于极化的非线性，铁电体的介电常数不是常数，而是依赖于外加电场的，一般以OA 曲线（图1）在原点的斜率代表介电常数，即在测量介电常数时，所加外电场很小，铁电体在转变温度附近时，介电常数具有很大的数值，数量级达5 410~10。当温度高于居里点时，介电常数随温度变化的关系

铁电薄膜铁电性能的表征

铁电性吴超 131120120 物理学【引言】铁电体是这样一类晶体:在一定温度范围内存在自发极化,自发极化具有两个或多个可能的取向,其取向可能随电场而转向.铁电体并不含“铁”,只是它与铁磁体具有磁滞回线相类似，具有电滞回线，因而称为铁电体。在某一温度以上，它为顺电相，无铁电性，其介电常数服从居里-外斯（Curit-Weiss）定律。铁电相与顺电相之间的转变通常称为铁电相变，该温度称为居里温度或居里点Tc。铁电体即使在没有外界电场作用下，内部也会出现极化，这种极化称为自发极化。自发极化的出现是与这一类材料的晶体结构有关的。晶体的对称性可以划分为32种点群。在无中心对称的21种晶体类型种除432点群外其余20种都有压电效应，而这20种压电晶体中又有10种具热释电现象。热释电晶体是具有自发极化的晶体，但因表面电荷的抵偿作用，其极化电矩不能显示出来，只有当温度改变，电矩（即极化强度）发生变化，才能显示固有的极化，这可以通过测量一闭合回路中流动的电荷来观测。热释电就是指改变温度才能显示电极化的现象，铁电体又是热释电晶体中的一小类，其特点就是自发极化强度可因电场作用而反向，因而极化强度和电场E 之间形成电滞回线是铁电体的一个主要特性。自发极化可用矢量来描述，自发极化出现在晶体中造成一个特殊的方向。晶体中，每个晶胞中原子的构型使正负电荷重心沿这个特殊方向发生相对位移，使电荷正负重心不重合，形成电偶极矩。整个晶体在该方向上呈现极性，一端为正，一端为负。在其正负端分别有一层正和负的束缚电荷。束缚电荷产生的电场在晶体内部与极化反向（称为退极化场），使静电能升高，在受机械约束时，伴随着自发极化的应变还将使应变能增加，所以均匀极化的状态是不稳定的，晶体将分成若干小区域，每个小区域内部电偶极子沿同一方向，但各个小区域电偶极子方向不同，这些小区域称为电畴或畴，畴的间界叫畴壁。畴的出现使晶体的静电能和应变能降低，但畴壁的存在引入了畴壁能。总自由能取极小值的条件决定了电畴的稳构型。二、实验目的 1、了解什么是铁电体，什么是电滞回线及其测量原理和方法。 2、了解铁薄膜材料的功能和应用前景。三、实验原理 1、铁电体的特点（1）电滞回线

铁电陶瓷材料

材料工程基础课程铁电陶瓷材料院系：材料与冶金专业：金属材料工程班级：10-材料-1 学号：1061107127 姓名：周联邦日期：2012-12-3

摘要：本文论述了铁电陶瓷的性质、原理、效应。着重介绍了几种具有代表性的铁电陶瓷材料的研究现状，以及人们在研究过程中产生的新问题。这几种材料主要包括层状铁电陶瓷，弛豫型铁电陶瓷，含铅型铁电陶瓷，无铅型铁电陶瓷，以及反铁电陶瓷材料。最后，对未来的研究与应用前景进行了展望。关键词：铁电陶瓷；铁电性；性质；效应；钙钛矿；应用；研究铁电陶瓷是指具有铁电性的陶瓷。材料在一定温度范围内能够自发极化，且自发极化能随外电场取向的性质。铁电陶瓷特性铁电陶瓷，主晶相为铁电体的陶瓷材料。它的主要特性为： (1)在一定温度范围内存在自发极化，当高于某一居里温度时，自发极化消失，铁电相变为顺电相； (2)存在电畴； (3)发生极化状态改变时，其介电常数-温度特性发生显著变化，出现峰值，并服从Curie-Weiss定律； (4)极化强度随外加电场强度而变化，形成电滞回线； (5)介电常数随外加电场呈非线性变化； (6)在电场作用下产生电致伸缩或电致应变。 (7)电性能：高的抗电压强度和介电常数。低的老化率。在一定温度范围内介电常数变化率较小。介电常数或介质的电容量随交流电场或直流电场的变化率小。铁电陶瓷原理某些电介质可自发极化，在外电场作用下自发极化能重新取向的现象称铁电效应。具有这种性能的陶瓷称铁电陶瓷。铁电陶瓷具有电滞回线和居里温度。在居里温度点，晶体由铁电相转变为非铁电相，其电学、光学、弹性和热学等性质均出现反常现象，如介电常数出现极大值。1941年美国首先制成介电常数高达1100的钛酸钡铁电陶瓷。主要的铁电陶瓷系统有钛酸钡-锡酸钙和钛酸钡-锆酸钡系高介电常数铁电陶瓷,钛酸钡-锡酸铋系介电常数变化率低的铁电陶瓷，钛酸钡-锆酸钙-铌锆酸铋和钛酸钡－锡酸钡系高压铁电陶瓷以及多钛酸铋及其与钛酸锶等组成的固溶体系低损耗铁电陶瓷等。铁电陶瓷的制造工艺大致相同。例如，钛酸钡系陶瓷用超纯、超细的等摩尔碳酸钡和二氧化钛原料混合均匀，在1150°C左右预烧成钛酸钡。加入少量为改善工艺和电性能所需要的附加剂，如产生阳离子缺位的三价镧、三价铋或五价铌离子附加剂，产生氧离子空位的三价铁、三价钪或三价铝离子，置换钡离子使晶格畸变的二价锶离子以及生成液相、降低烧成温度的氧化镁或二氧化锰等附加剂。经过粉磨或其他方法充分混合，用干压、辊压或挤压等方法成型，再在1350°C左右的氧化气氛中烧成。还可采用热压烧结，高温等静压烧结等方法，以提高产品的质量。铁电陶瓷材料确定原则铁电陶瓷配方的确定原则：先移后展，有所侧重；单独考虑，综合调整。铁电陶瓷的三大效应展宽效应、移动效应和重叠效应是铁电陶瓷改性的三大效应。 (1)铁电陶瓷居里峰的展宽效应展宽效应：指铁电陶瓷的ε与温度关系中的峰值扩张得尽可能的宽旷平坦，即不仅使居里峰压低，而且要使峰的肩部上举，从而使材料既具有较小的温度系