材料性能---压电铁电章
压电、热释电与铁电材料
关于BaTiO3铁电性的起因人们曾提出过多种 微观模型。其中比较突出的有： 钛离子多个平衡位置的自发极化理论，认 为BaTiO3在其顺电相结构中钛离子具有多 个平衡位置，在温度低于居里点时，钛离 子占据某个平衡位置几率大得多，因而出 现自发极化；
钛--氧离子之间的强耦合理论，认为自发 极化的产生是由于钛--氧离子之间存在着 很强的相互作用场所致； 此外换有氧离子位移的自发极化理论；振 动电子理论；价键性质转变理论（认为共 价性增强，离子性减弱）等。 这些理论各有其不足和成功之处，本节不 在一一介绍。
下图是180畴壁和90畴壁
钛酸钡畴结构
反铁电体
反铁电体是这样一些晶体，晶体结构与同 型铁电体相近，但相邻离子沿反平行方向 产生自发极化，净自发极化强度为零，不 存在类似于铁电中的电滞回线。介电常数 （或极化率）与温度的关系为：在相变温 度以下，介电常数很小，一般数量级为10102；在相变温度时，介电常数出现峰值， 一般数量级为几千。在相变温度以上，介 电常数与温度的关系遵从居里-外斯定律。
主要特征 电滞回线hysteresis loop 居里温度Curie temperature c 介电反常Dielectric anomalous
电滞回线 hysteresis loop
自发极化Ps 剩余极化Pr 矫顽电场Ec
静态畴结构及其形成原因
铁电晶体在没有外电场和外力作用下从 顺电相过渡到铁电相时，将出现至少两 个等价的自发极化方向，以便使晶体的 总自由能最小。因此，晶体在铁电相通 常是由自发极化方向不同的一个一个小 区域组成。每一个极化方向相同的小区 域称为铁电畴，分离电畴的边界称为畴 壁。Domain wall
BaTiO3铁电相变的微观理论首先是从离子位 移模型出发而发展起来的。对BaTiO3晶体的 x射线衍射和中子衍射实验表明，当BaTiO3 的结构从立方相转变到四方相时，Ti、O等 离子都产生偏离原来平衡位置的位移。
铁电材料的应用及其性质
铁电材料的应用及其性质铁电材料是一种拥有电极化性能的材料，可以在外加电场的作用下产生极化效应，其具有许多重要的物理特性和应用价值。
铁电材料被广泛应用于电容器、传感器、压电材料、振动器、光伏器件、非易失性存储器等领域。
本文将深入探讨铁电材料的性质及应用。
一、铁电材料的性质1.电极化性能：铁电材料表现出极化现象，它们能够在电场的作用下，在晶体中产生电偶极矩，同时使晶体的电荷分布发生改变。
铁电材料的电极化是由于离子偏移所导致的，离子的偏移可导致电流产生。
经过组合后，可以得到电信号的输出。
2.压电性能：铁电材料具有压电性能，亦即当外力作用于铁电材料时，晶体结构会产生变化，而反过来当外加电场作用于铁电晶体时，也能感受到压力的变化。
其作用的原理是，当材料受到外力的作用时，内部离子的晶格结构也会产生变形，从而产生相应的电信号。
压电传感器就是利用这种原理来实现高精度测量。
3.热释电性能：一些铁电材料还表现出热释电性能。
当这类材料被局部加热时，就会产生电荷，从而产生电信号。
这种特性可用于温度变化传感器，甚至是毒气检测器中。
4.非线性光学性能：铁电材料在非线性光学方面有很出色的表现，可以利用其将光束加工成符号、滤色器和测量仪器的功能。
二、铁电材料的应用1.电容器：由于铁电材料的电极化和解极化响应速度快，它们可用于电容器中，主要用于储存电料以及印刷电路板制作等领域。
2.传感器：由于铁电材料的压电特性，它们可以被用于制作各种类型的传感器，如液体容器液位感应器、汽车摩擦感应器等等。
3.振动器：由于铁电材料的压电特性和极化性能，它们可用于制造各种类型的振动器，如石英晶体振荡器等。
4.光伏器件：铁电材料在光伏器件中的应用越来越广泛。
铁电效应能够使太阳能电池在太阳光照射下提高光电转换效率，而且在成本上也具有一定优势。
5.非易失性存储器：铁电材料的极化状态可以长时间维持，因此它们可以被用于非易失性存储器中。
这种材料可以将电信号转化成二进制代码，从而实现信息存储和检索。
第五部分-(第十二章)材料的压电性能
五 热释电性与铁电性
1 自发极化的微观机制 （a）极性轴导致的自发极化 （b）热运动引起的自发极化
（a）极性轴导致的自发极化
+
-
+
+++++
-
-
+
+
- -+ - - -
极 化 轴
C
+++++
-
-
纤锌矿(ZnS)结构在（010）上投影
正
电+
荷- -
-
与
固
负
有
电+ + 偶 +
荷- - 极 -
层
子
交
替+ +
[ ]dij d21
d 22
d 23
d 24
d 25d 26来自000 d24 0 0
d31 d32 d33 d34 d35 d36 d31 d32 d33 0 0 0
0 0 0 0 d24 0
0
0
0 d24 0 0
d31 d31 d33 0 0 0
BaTiO3陶瓷
二、 压电振子的谐振特性
U mm Uee
各个能量的含义：U mm
1 2
SiEj TiTj
U ee
1 2
T mn
Em
En；U
me
1 2
d mj
EiT j
工程技术上的含义
正压电效应：K
2
机械能转变的电能 输入的机械能
逆压电效应：K 2
电能转变的机械能 输入的电能
K 2并非能量转换效率： 因为在压电体中未被转化是以机械能或电能 的形式可逆的存储在压电体内的那部分能量
材料性能学 10.电学性能
3）能带导电理论 ----电子能量与波矢的关系
金属导电理论
晶体电子的能量E与波矢K的关系曲线就是能带图。 晶体电子的状态是用波函数和能量本征值来确定的， 可采用波矢K来表征；即一个K就代表了一种状态（ 一种波函数和相应的能量）
3）能带导电理论
（1）基本概念
由于晶体中电子能级的 间隙很小，故能级的分布可 视为准连续的，称为能带。
基本假设：
• 自由电子（价电子）公有 化，能量量子化；
• 离子势场不均匀，呈周期 变化；
允带 禁带
3）能带导电理论
3）能带导电理论
半导体能带中的几个概念： 价带，导带，导带底，价带顶，禁带宽度
（2）三种典型材料的能带结构
空带
价带
导 带
重 叠 区
禁带宽度
导 带
价带与空带重叠， 无禁带
价带半满
金属导体
ⅡA族－Be, Mg, Ca, Sr(锶), Ba, Ra(镭)
电子结构特征：最外 s 壳层 均有 2 个电子。
能带结构特征：最外s 带为 满带。
导电性：
表面上：应导电能力不佳，
实际上：导电能力高于ⅠA族。
Mg
原 因：最外s 带与最外 p 带重叠，构成导带
ⅢA族－B, Al, Ga, In, Tl(铊)
第八章 材料的电学性能
第八 章 材料的电学性能
• 导电性 • 介电性
重点介绍
• 铁电性 • 压电性 • 热释电性 • 磁电性 • 光电性
最后一节课即6-12部分内容， 学生讲，2个学生，每人选一 个内容，讲15分钟左右， 简单介绍 PPT已有
（考试不考）
第一节 导电性
一、电阻与导电的基本概念
导电现象：在材料两端施加电压时，材料中有电流通过。
铁电材料的特性与应用
铁电材料的特性与应用随着科技的不断进步，人们对材料的性能和应用的要求越来越高，铁电材料作为一种特殊的功能材料，因其特殊的性质内在吸引着越来越多的科学家和工程师的关注。
铁电材料具有很多的特点和应用，本文将从以下几个方面进行探讨。
一、铁电材料的概述铁电材料是一种能够在外加电场的作用下，产生永久电极化或瞬时电极化，并能在无电场的作用下保持这种电极化状态的材料。
铁电材料的特殊性质有以下特点：1、储存强电场：铁电材料能够在强电场的作用下产生强电极化，并且能够在不加电场的情况下保持这种极化状态。
2、非线性介电性：铁电材料的介电常数随电场强度的变化不是线性的，而是具有一定的非线性。
铁电材料的非线性介电性具有在光通讯、信息传输等方面的应用前景。
3、电光效应：铁电材料在外界电场的作用下，其晶体结构出现对称性破缺，从而导致光学性能出现改变，这种现象即为电光效应。
4、压电效应：铁电材料在外界力的作用下，会产生电势差，形成电场分布而产生的现象就是压电效应。
二、铁电材料的应用铁电材料由于其具有特殊的性质，在各个行业中有着广泛的应用。
下面简述一下铁电材料在各个行业中的应用。
1、电子电器领域：铁电材料可用于存储器件、传感器、高频陶瓷器等方面。
石英陶瓷是一种常用的高频陶瓷，如果在其表面形成压电陶瓷层，就能够提高其机械振动的效率，达到提高声波频率和集中能量的目的。
2、光电子领域：铁电材料由于具备优异的光电性能，使其非常适用于薄膜反射镜、光阀、空间光学器件等方面。
3、声学领域：铁电材料由于具有压电效应，使其在锂电池、面板电池、防爆弹等方面有着广泛的应用。
4、航空领域：铁电材料由于其性质稳定，可在高温、高压等恶劣环境下使用，所以在火箭发动机、超音速飞行器等方面被广泛应用。
三、未来发展前景随着科技不断发展，人们对材料的性能和应用的要求越来越高，铁电材料作为一种特殊的功能材料，在绿色环保、节能减排、信息传输、生物医药等领域发挥着越来越大的作用，有着广泛的应用前景。
第6章压电、铁电材料
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ຫໍສະໝຸດ Company Logo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。
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。
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。
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
压电陶瓷
第6章压电铁电材料
1 1 1 e max [ ( ES 2 max )] 4 2
(6-1)
式中：emax为能量密度；E为驱动器材料的弹性模量；Smax电场诱 发的最大应变；ρ为驱动器材料的密度；1／4为适应系数(与相关环 境的驱动器阻抗有关)。
6.1.1.1压电效应的表征
当在某些特定方向上对α-石英晶体加力(拉或压)时，在与力方向垂直 的平面内出现正、负束缚电荷，这种现象后来被称为压电性。这种 由机械能转换成电能的过程，称之为正压电效应。这种效应常用于 测力的传感器中。
图6-7钙钛矿的结构晶胞
整个晶体可看成由氧八面体共顶点连接而成。 可把氧八面体单独表示并绘成图6-8。这种正 氧八面体有3个四重轴、4个三重轴和6个二重 轴。当B离子偏离氧八面体中心时，则正、负 电荷中心不重心，而产生自发极化。B离子的 运动经常沿这3个轴的方向进行，故自发极化 也是沿这三个方向之一进行。如果铁电体处于 简单立方结构是不具自发极化能力的。只有当 B离子偏离中心，晶体结构从立方晶体转变为 低对称相(如四方相)时，才产生自发极化。这 类铁电体的二个代表-BaTiO3、PbTiO3的四方 晶胞在a面上的投影示意在图6-9上。图中箭头 方向表示Ti原子沿晶体c轴方向的位移。
图6-6石英晶体正压电效应 (a)石英晶体 (b)沿X轴施加压力 (c)沿X轴施加拉力
6.1.2.2具有自发极化的铁电材料
从晶体结构上分析，除满足没有中心对称外，铁电材料还具有极轴。这里对不 同铁电材料出现自发极化的具体结构，按钟维烈的分类，简单描述如下。 1)含氧八面体的铁电体 (A)钙钛矿型铁电体 钙钛矿型铁电体是铁电体中为数最多的一类，化学通式为ABO3，。晶体结构可 用图6-7所示简单立方晶格描述。 顶角为较大的A离子占据，体心为较小的B离子占据，六个面心则为氧离子占据， 并形成氧八面体，B离子处于中心。
简述铁电、压电和热电纳米材料的催化研究
简述铁电、压电和热电纳米材料的催化研究铁电、压电和热电纳米材料近年来在催化研究领域引起了广泛关注。
这些材料具有特殊的结构和性质，对催化反应具有重要作用。
本文将对铁电、压电和热电纳米材料的催化性能进行简要介绍，并分析其应用前景。
铁电材料是一类具有铁电性质的材料，其具有正负两个永久电偶极矩的材料。
研究表明，铁电材料可以用作催化剂，提高催化反应的速率和选择性。
铁电材料的催化性能主要归因于其特殊的电荷分布和表面性质。
例如，铁电材料可以通过调节电荷重排来改变催化活性位点的结合能，从而影响催化反应的速率和选择性。
此外，铁电材料还可以通过外加电场和应力来调控其催化性能。
因此，铁电材料已被广泛应用于氧化还原反应、电催化和光催化等领域。
压电材料是一类具有压电效应的材料，其具有在外力作用下产生电荷分离的特性。
研究表明，压电材料可以用作催化剂，提高催化反应的速率和选择性。
压电材料的催化性能主要归因于其特殊的结构和电荷分布。
例如，压电材料的晶格变形可以改变催化活性位点的结合能，从而影响催化反应的速率和选择性。
此外，压电材料还可以通过外加电压来调控其催化性能。
因此，压电材料已被广泛应用于氧化还原反应、电催化和光催化等领域。
热电材料是一类具有热电效应的材料，其具有在温度梯度下产生电荷分离的特性。
研究表明，热电材料可以用作催化剂，提高催化反应的速率和选择性。
热电材料的催化性能主要归因于其特殊的热导率和电子结构。
例如，热电材料的热导率可以影响催化反应的热量传递和分子扩散，从而调控反应速率。
此外，热电材料的电子结构可以影响催化活性位点的结合能和反应中间体的稳定性，从而影响反应选择性。
因此，热电材料已被广泛应用于热催化和光催化等领域。
目前，铁电、压电和热电纳米材料在催化研究中的应用还处于起步阶段，但已经取得了一些重要的进展。
例如，一些研究发现，通过调控铁电、压电和热电纳米材料的晶格结构和表面性质，可以实现催化活性位点的精确定位和调控。
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第十二章 材料的压电性能与铁电性能
三、压电性能的主要参数 2、介质损耗 压电体存在介质损耗的原因： 压电体存在介质损耗的原因： •电导过程 电导过程 即压电体输送电流的过程。 即压电体输送电流的过程。此过程在高温和强电 场的情况下尤为显著 •极化弛豫过程 极化弛豫过程 即由偶极矩转向时引起的， 即由偶极矩转向时引起的，当然也包括了电畴壁 运动所消耗的能量。 运动所消耗的能量。
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第十二章 材料的压电性能与铁电性能
第一节 压电性能
一、压电效应的基本原理
不具有自发极化特性，但为不对称中心结构， (1) ，产生极化。 的作用下，产生极化。
S=dE
其具体表达式： 其具体表达式：
S j = d ni En T j= enj En
这种效应称为逆压电效应， 这种效应称为逆压电效应，或称电致伸缩
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第十二章 材料的压电性能与铁电性能
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第十二章 材料的压电性能与铁电性能
压电效应
具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机 电 具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机—电 压电材料 能量的相互转换。 能量的相互转换。
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第十二章 材料的压电性能与铁电性能
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 压电性能 热释电与铁电性能 铁电材料的电光效应及其应用 影响材料压电性及铁电性的因素 压电与铁电性能的测量
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第十二章 材料的压电性能与铁电性能
第一节 压电性能
一、压电效应的基本原理 NO.2 对具有压电效应的电介质施加电场作用时，同样 对具有压电效应的电介质施加电场作用时， 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 与外电场强度E呈 致电介质产生变形，且其应变 与外电场强度 呈 正比： 正比：
+ + + + + + +
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介质损耗即为上述的异相分量 与同相分量的比值
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第十二章 材料的压电性能与铁电性能
三、压电性能的主要参数 2、介质损耗 ----表征介电体在电场作用下，由发热而导致的能量损耗， 表征介电体在电场作用下，由发热而导致的能量损耗， 表征介电体在电场作用下 通常用tanδ表示，即 表示， 通常用 表示
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第十二章 材料的压电性能与铁电性能
三、压电性能的主要参数 2、介质损耗 交变电场下，压电体表面所积累的电荷有两种分量： 交变电场下，压电体表面所积累的电荷有两种分量：
① 一种为有功部分(或同相 ： 一种为有功部分 或同相)Ic： 或同相
－－－－－－－
由电导过程引起 另一种为无功部分(或异相 或异相)I ② 另一种为无功部分 或异相 R： 由介质弛豫过程引起
一战： 一战：
盟军军舰受到德军潜艇的严重攻击
寻求新的有效探 测潜艇的方法
•电磁波无法穿越海水 电磁波无法穿越海水 •声波很容易在海里行进 声波很容易在海里行进
继承人： 继承人：蓝杰文 (ngevin)
利用石英的压电效应 制成水下超声探测器
如今： 如今：
•声纳 声纳 •反潜 反潜 •海底通讯 海底通讯 •电话通讯 电话通讯 •医学诊断：超声波成像术、全像摄影术、 医学诊断： 医学诊断 超声波成像术、全像摄影术、 计算机辅助声波断层摄影术
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各 向 异 性 结 构
非晶方性结构 (anisotropic)
晶方性(isotropic)结构是 结构是 晶方性 不会产生压电性的
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第十二章 材料的压电性能与铁电性能
压电效应的应用
在居里兄弟发现“压电效应”后的三分之一个世纪中， 在居里兄弟发现“压电效应”后的三分之一个世纪中，压电效应在应 用上几乎没有受到任何重视； 用上几乎没有受到任何重视；
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第十二章 材料的压电性能与铁电性能
第一节 压电性能
一、压电效应的基本原理
这种没有电场作用， 这种没有电场作用，由机械应力的作用而使电介质晶体产生 极化并形成晶体表面电荷的现象也称为正压电效应。
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第十二章 材料的压电性能与铁电性能
三、压电性能的主要参数 3、弹性系数 • 压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有 压电材料的弹性常数、 频率和动态特性。刚度越大，固有振动频率越高。 频率和动态特性。刚度越大，固有振动频率越高。 • 压电体是一个弹性体，它服从虎克定律，在弹性限 压电体是一个弹性体，它服从虎克定律， 度范围内，应力与应变成正比，当数值为T的应力加于 度范围内，应力与应变成正比，当数值为 的应力加于 压电体上所产生的应变 应变S为 压电体上所产生的应变 为：
第十二章 材料的压电性能与铁电性能
压电效应
某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部 某些电介质， 当沿着一定方向对其施力而使它变形时， 就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷。 就产生极化现象， 同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷。 当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。 这种现象称压电效应。 压电效应。 当外力去掉后 ， 又重新恢复到不带电状态。这种现象称压电效应 当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。 ①当作用力方向改变时 ， 电荷的极性也随之改变 。 有时人们把这 种机械能转换为电能的现象，称为“正压电效应” 种机械能转换为电能的现象，称为“正压电效应”。 相反，当在电介质极化方向施加电场， ②相反 ， 当在电介质极化方向施加电场 ， 这些电介质也会产生几 何变形，这种现象称为“逆压电效应” 电致伸缩效应） 何变形，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。
第一节 压电性能
一、压电效应的基本原理
正压电效应
逆压电效应
－－－－－－－ －－－－－－ －－－－－－－
+ + + + + +
极化方向 极化方向
+
+
+
+
－ － － － －
+ + + + + + +
释放电荷
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－ － － － －
+ + + + + + + + + + + + +
机机机
压电压压 电机
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第十二章 材料的压电性能与铁电性能
压电效应的发展历程
压电效应(Piezoelectric effect)是J. Curie和P. Curie兄弟于 压电效应 是 和 兄弟于 1880年在 石英晶体上首先发现的。 年在α石英晶体上首先发现的 年在 石英晶体上首先发现的。
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第十二章 材料的压电性能与铁电性能
第一节 压电性能
一、压电效应的基本原理 NO.1 在这些电介质的一定方向上施加机械力而产生变形 时，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 极化面)上出现符 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[如图 号相反的束缚电荷 如图12-1a所示 ，且其电位移D 所示]，且其电位移 如图 所示 与外应力张量T之间成正比 之间成正比： 与外应力张量 之间成正比：
+ + + + + —
±
+ +
+ -
+
+
未加应力
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加应力产生极化， 加应力产生极化， 正负电荷中心分开
加应力不产生极化
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第十二章 材料的压电性能与铁电性能
第一节 压电性能
一、压电效应的基本原理
具有压电性的材料
闪锌矿(zincblende) 闪锌矿 钠氯酸盐(sodiumchlorate) 钠氯酸盐 电气石(tourmaline) 电气石 石英(quartz) 石英 酒石酸(tartaricacid) 酒石酸 蔗糖(canesuger) 蔗糖 方硼石(boracite) 方硼石 异极矿(calamine) 异极矿 黄晶(topaz) 黄晶 若歇尔盐(Rochellesalt) 若歇尔盐
不同机械条件时，测得的介电常数不同。 不同机械条件时，测得的介电常数不同。