铁电与反铁电的比较
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电解质物理基础
电解质物理基础电偶极⼦：两个⼤⼩相等的正、负电荷（+q 和-q ），相距为L ，L 较讨论中所涉及到的距离⼩得多。
这⼀电荷系统就称为电偶极⼦。
轴线场强中垂线场强303044r r qLB E πεµπε==电量q 与⽮径L 的乘积定义为电矩，电矩是⽮量，⽤µ表⽰，即µ=q 2L µ的单位是C 2m 。
电介质极化：在外电场作⽤下，电介质内部沿电场⽅向产⽣感应偶极矩，在电介质表⾯出现极化电荷的现象称为电介质的极化。
束缚电荷（极化电荷在与外电场垂直的电介质表⾯上出现的与极板上电荷反号的电荷。
束缚电荷⾯密度记为σ’退极化电场Ed ：由极化电荷所产⽣的场强。
oo E εσ- 介电系数电容器充以电介质时的电容量C 与真空时的电容量C 0 的⽐值为该电介质的介电系数Co Cr =ε它是⼀个⼤于1、⽆量纲的常数，是综合反映电介质极化⾏为的宏观物理量。
平⾏板电容器：E+=o 1εσε’r 有效电场：实际上引起电介质产⽣感应偶极矩的电场称为有效电场或者真实电场，⽤Ee 表⽰。
感应偶极矩与有效电场Ee 成正⽐，即e E αµ=极化强度P ：单位体积中电介质感应偶极矩的⽮量和，即极化强度P 的宏观参数： r E εεχ微观参数：N α e E 联系E E N e o αεε+= 提⾼介电系数1)N ↑;2)α↑;3)Ee ↑微观参数：1、感应偶极矩µ qL =µ2、极化率α：e E αµ=（其物理含义是每单位电场强度的分⼦偶极矩。
α越⼤，分⼦的极化能⼒越强。
单位是F 2m2。
3、极化强度P （单位体积中电介质感应偶极矩的⽮量和，单位是C/m2 µN P = 则e E N P α=εr-1=χ极化系数，宏观参数第三节宏观平均场强E 是指极板上的⾃由电荷以及电介质中所有极化粒⼦形成的偶极矩共同的作⽤场强。
对于平板介质电容器，满⾜：①电介质连续均匀，②介电系数不随电场强度的改变发⽣变化。
功能材料试题及参考答案
功能材料试题及参考答案功能材料试题及参考答案篇一：功能材料试题参考答案一、名词解释（共24分，每个3分）居里温度：铁电体失去自发极化使电畴结构消失的最低温度（或晶体由顺电相到铁电相的转变温度）。
铁电畴：铁电晶体中许许多多晶胞组成的具有相同自发极化方向的小区域称为铁电畴。
电致伸缩：在电场作用下，陶瓷外形上的伸缩（或应变）叫电致伸缩。
介质损耗：陶瓷介质在电导和极化过程中有能量消耗，一部分电场能转变成热能。
单位时间内消耗的电能叫介质损耗。
n型半导体：主要由电子导电的半导体材料叫n型半导体。
电导率：电导率是指面积为1cm2，厚度为1cm的试样所具有的电导（或电阻率的倒数或它是表征材料导电能力大小的特征参数）。
压敏电压：一般取I=1mA时所对应的电压作为I随V陡峭上升的电压大小的标志称压敏电压。
施主受主相互补偿：在同时有施主和受主杂质存在的半导体中，两种杂质要相互补偿，施主提供电子的能力和受主提供空状态的能力因相互抵消而减弱。
二、简答（共42分，每小题6分）1.化学镀镍的原理是什么？答：化学镀镍是利用镍盐溶液在强还原剂（次磷酸盐）的作用下，在具有催化性质的瓷件表面上，使镍离子还原成金属、次磷酸盐分解出磷，获得沉积在瓷件表面的镍磷合金层。
由于镍磷合金具有催化活性，能构成催化自镀，使得镀镍反应得以不断进行。
2.干压成型所用的粉料为什么要造粒？造粒有哪几种方式？各有什么特点？答：为了烧结和固相反应的进行，干压成型所用粉料颗粒越细越好，但是粉料越细流动性越差；同时比表面积增大，粉料占的体积也大。
干压成型时就不能均匀地填充模型的每一个角落常造成空洞、边角不致密、层裂、弹性后效等问题。
为了解决以上问题常采用造粒的方法。
造粒方式有两种方式：加压造粒法和喷雾干燥法。
加压造粒法的特点是造出的颗粒体积密度大、机械强度高、能满足大型和异型制品的成型要求。
但是这种方法生产效率低、自动化程度不高。
喷雾干燥法可得到流动性好的球状团粒，产量大、可连续生产，适合于自动化成型工艺。
铁电性(材料物理性能)
原因 BaTiO3 陶 瓷 的 电 畴 结 构 与
BaTiO3单晶电畴结构的差异，导致两
者之间在铁电性质方面的微小差别。
2211
第二十一页，共24页。
3）电滞回线的意义
A.判定铁电体的依据
铁电材料在外加交变电场作用下都能形成电滞回线，不同材料和不同工艺条件对 电滞回线的形状都有很大的影响。
B.由于有剩余极化强度，因而铁电体可用来作信息存储、图象显示。
AO
铁电体微观结构的特点决定了它有许多特殊
E
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）
1144
第十四页，共24页。
A.施加电场
➢沿电场方向的电畴扩展，变大；而
P
Ps B
C
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。
Pr Ps Pr
压峰效应
如在BaTiO3中加入Bi2/3SnO3 ，其居里点几乎完 全消失，显示出直线性的温度特性可认为其机理是 加入非铁电体后，破坏了原来的内电场，使自发极 化减弱，即铁电性减小。
压峰的目的 为了降低居里点处的介电常数的蜂值，即降低ε-T非线性，也使工
作状态相应于ε-T平缓区。
2244
第二十四页，共24页。
顺电性晶体与铁电性晶体的转变温度称为铁电居里点t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二铁电体的居里外斯定律居里点附近居里外斯定律为忽略12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
+
BaTiO3单晶电畴结构的差异，导致两
者之间在铁电性质方面的微小差别。
2211
第二十一页，共24页。
3）电滞回线的意义
A.判定铁电体的依据
铁电材料在外加交变电场作用下都能形成电滞回线，不同材料和不同工艺条件对 电滞回线的形状都有很大的影响。
B.由于有剩余极化强度，因而铁电体可用来作信息存储、图象显示。
AO
铁电体微观结构的特点决定了它有许多特殊
E
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）
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第十四页，共24页。
A.施加电场
➢沿电场方向的电畴扩展，变大；而
P
Ps B
C
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。
Pr Ps Pr
压峰效应
如在BaTiO3中加入Bi2/3SnO3 ，其居里点几乎完 全消失，显示出直线性的温度特性可认为其机理是 加入非铁电体后，破坏了原来的内电场，使自发极 化减弱，即铁电性减小。
压峰的目的 为了降低居里点处的介电常数的蜂值，即降低ε-T非线性，也使工
作状态相应于ε-T平缓区。
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第二十四页，共24页。
顺电性晶体与铁电性晶体的转变温度称为铁电居里点t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二铁电体的居里外斯定律居里点附近居里外斯定律为忽略12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
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(优选)PPT铁电与反铁电的比较
铁电体的研究进展
第一性原理的计算
现代能带结构方法和高速计算机的反展使得对 铁电性起因的研究变为可能。通过第一性原理 的计算，对BaTiO3、PbTiO3、KNbO3和LiTaO3等铁 电体，得出了电子密度分布，软模位移和自发 极化等重要结果，对阐明铁电性的微观机制有 重要作用。
尺寸效应的研究
随着铁电薄膜和铁电超微粉的发展，铁电尺寸 效应成为一个迫切需要研究的实际问题。近年 来，人们从理论上预言了自发极化、相变温度 和介电极化率等随尺寸变化的规律，并计算了 典型铁电体的铁电临界尺寸。这些结果不但对 集成铁电器件和精细复合材料的设计有指导作 用，而且是铁电理论在有限尺寸条件下的发展。
在顺电-铁电相变中，各晶胞中出现了电偶极 矩，铁电相晶胞与顺电相晶胞比较，只是发生 了微小的畸变。在顺电-反铁电相变中，顺电 相的相邻晶胞出现了方向相反的偶极矩，显然 这样的“晶胞”已不能作为反铁电相的结构重 复单元。反铁电相晶胞的体积因而是顺电相晶 胞的倍数。晶胞体积倍增是反铁电相变的特征 之一。反铁电相变可认为是顺电相相邻晶胞出 现反向极化的结果，于是反铁电相点群可由顺 电相点群与反向极化的叠加而得出。
铁电体的性质
铁电 性
介电 性
铁电 体
压电 性
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。
介电性：将某一均匀的电介质作为电容器的介质而 置于其两极之间，则由于电介质的极化，将使电容 器的电容量比真空为介质时的电容量增加若干倍的 性质。
铁电体与反铁电体的相同点
在相变温度时，介电常数出现反 常值；
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。
铁电材料和反铁电材料
05
CATALOGUE
铁电材料与反铁电材料的前沿研究
多铁性材料的研究
多铁性材料是指同时具有铁电性和磁性的复合功能材料，其研究主要集中在探索 新型多铁性材料、提高材料的性能以及开发多铁性材料在电子器件和存储器等领 域的应用。
目前，科研人员正在研究如何通过合成和制备技术，获得具有优异性能的多铁性 材料，如高居里温度、高自发极化、低损耗等特性，以满足实际应用的需求。
性能优化与改性
铁电材料的性能优化
通过调整材料的化学组成、制备工艺和后处理方法，可以显 著提高铁电材料的各项性能指标，如自发极化、机电耦合系 数和居里温度等。这些优化措施有助于扩大铁电材料在电子 、信息、能源等领域的应用范围。
反铁电材料的性能改进
与铁电材料类似，反铁电材料的性能也可以通过优化合成工 艺和调整化学组分来提高。例如，通过引入掺杂元素或改变 晶体结构，可以增强反铁电材料的稳定性、提高其抗疲劳性 能和降低漏电流等。
铁电材料在电场作用下发生形变，形变量 与电场强度之间呈线性关系。
压电性
热电性
铁电材料在压力作用下产生电荷，电荷量 与压力之间呈线性关系。
铁电材料在温度梯度作用下产生电荷，电 荷量与温度梯度之间呈线性关系。
铁电材料的应用
传感器
利用铁电材料的压电性和热电性 等特点，制作出各种传感器，用 于测量压力、温度、加速度等物
03
CATALOGUE
铁电材料与反铁电材料的比较
结构比较
铁电材料
具有自发极化，在一定温度范围 内表现出电偶极矩的晶体。常见 的铁电材料有钛酸钡、锆钛酸铅 等。
反铁电材料
在一定温度范围内表现出相反的 电偶极矩，即反铁电态的晶体。 常见的反铁电材料有硫酸铵、硫 酸钠等。
铁电与反铁电的比较
铁电体与反铁电体的相同点
在相变温度时，介电常数出现反 常值； 在相变温度以上，介电常数与温 度的关系遵从居里－外的不同点
关于电滞回线
铁电体中由于出现畴结构，一般地宏观极化强 度p＝0。当外电场E 很小时p与E有线性关系。 当E足够大以后，出现p 滞后于E而变化的关系 曲线称为电滞回线。经过固定振幅的强交变电 场多次反复极化之后，电滞回线有大致稳定的 形状,参见图。其中的箭头标明回线循环的方向。 当 E很大时极化趋向饱和，从这部分外推至纵 轴的截距p称为饱和极化强度。E由幅值减小时 p 略有降低，当E＝0时，铁电体具有剩余极化 强度pr；当电场反向至E=-Ec时，剩余极化迅速 消失，反向电场继续增大时极化反向形成大致 对称的回线；Ec称为矫顽场。电滞回线是判断 铁电性的重要标志。
钛酸钡的晶体结构图和铁电相变图
典型的反铁电材料
1. 2. 3. 4.
5.
NH4H2PO4型（包括NH4H2AsO4及氘代盐等 ）； （NH4）2SO4型（包括NH4HSO4 及NH4LiSO4等 ）； （NH4）2H3IO6型（包括Ag2H3IO6 等）； 钙钛矿型（包括NaNbO3、PbZrO3、PbHfO3、Pb （Mg1／2W1／2）O3等）； RbNO3等。
反铁电体的研究方向
反铁电体的应用
贮能应用 •利用反铁电-铁电相变时的D-E的非线性关系 （双电滞回线），做贮能电容器和电压调节 元件。 换能应用 •利用反铁电-铁电相变的体积效应，做换能器。
贮能应用
利用反铁电材料的极化强度-电场的双电滞回 线特性，可以制作一种新型的电压调节器件。 把这种器件与电路中的负载并联，可以使负 载两端电压稳定在一个相当狭窄的范围之内。 这种器件适于在高压下使用，尺寸小，重量 轻，不需附加别的装置，能用于交流、直流 和脉冲功率源。
铁电和反铁电以及钙钛矿结构的概念
,
汇报人：
CONTENTS
PRT ONE
PRT TWO
铁电：具有自发极化且在外加电场作用下极化方向会发生改变的材料。 反铁电：具有自发极化但在外加电场作用下极化方向不会发生改变的材料。 铁电材料：如钛酸钡、铌酸锂等。 反铁电材料：如铌酸锂、钛酸钡等。
铁电性：材料在电场作用下产生极化且极 化方向与电场方向一致
铁电、反铁电和钙钛矿结构之间的相互联系还可以通过实验和理论研究来进一步探索和揭示。
添加标题
铁电材料：具有自发极化可用于制造压电陶瓷、铁电存储器等
添加标题
反铁电材料：具有反铁电特性可用于制造反铁电存储器、反铁电晶体管等
添加标题
钙钛矿结构：具有光电特性可用于制造太阳能电池、发光二极管等
添加标题
铁电、反铁电和钙钛矿结构在材料科学中的相互关系：铁电和反铁电材料具有相似的结构钙 钛矿结构则是一种新型光电材料三者在材料科学中有着广泛的应用前景。
晶体结构：具有BX3型结构其中、B可以 是金属离子X可以是卤素离子
晶体对称性：具有立方对称性属于立方 晶系
晶体形态：通常为立方体或八面体具有 多晶型性
晶体颜色：颜色多样如蓝色、绿色、红色 等与、B、X离子种类和含量有关
晶体稳定性：具有较高的热稳定性和化 学稳定性但在空气中容易氧化
光电性能：具有优异的光电性能如光吸收、光发射、 光电导等可用于太阳能电池、光电探测器等领域
铁电材料：具有自发极化可用于制造存储器、传感器等电子设备
反铁电材料：具有反铁电特性可用于制造高性能电子器件
钙钛矿结构：具有优异的光电性能可用于太阳能电池、LED等领域
铁电、反铁电和钙钛矿结构在电子学中的应用：三者结合可以制造出高性能、多功 能的电子设备如多功能传感器、高性能存储器等。
汇报人：
CONTENTS
PRT ONE
PRT TWO
铁电：具有自发极化且在外加电场作用下极化方向会发生改变的材料。 反铁电：具有自发极化但在外加电场作用下极化方向不会发生改变的材料。 铁电材料：如钛酸钡、铌酸锂等。 反铁电材料：如铌酸锂、钛酸钡等。
铁电性：材料在电场作用下产生极化且极 化方向与电场方向一致
铁电、反铁电和钙钛矿结构之间的相互联系还可以通过实验和理论研究来进一步探索和揭示。
添加标题
铁电材料：具有自发极化可用于制造压电陶瓷、铁电存储器等
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反铁电材料：具有反铁电特性可用于制造反铁电存储器、反铁电晶体管等
添加标题
钙钛矿结构：具有光电特性可用于制造太阳能电池、发光二极管等
添加标题
铁电、反铁电和钙钛矿结构在材料科学中的相互关系：铁电和反铁电材料具有相似的结构钙 钛矿结构则是一种新型光电材料三者在材料科学中有着广泛的应用前景。
晶体结构：具有BX3型结构其中、B可以 是金属离子X可以是卤素离子
晶体对称性：具有立方对称性属于立方 晶系
晶体形态：通常为立方体或八面体具有 多晶型性
晶体颜色：颜色多样如蓝色、绿色、红色 等与、B、X离子种类和含量有关
晶体稳定性：具有较高的热稳定性和化 学稳定性但在空气中容易氧化
光电性能：具有优异的光电性能如光吸收、光发射、 光电导等可用于太阳能电池、光电探测器等领域
铁电材料：具有自发极化可用于制造存储器、传感器等电子设备
反铁电材料：具有反铁电特性可用于制造高性能电子器件
钙钛矿结构：具有优异的光电性能可用于太阳能电池、LED等领域
铁电、反铁电和钙钛矿结构在电子学中的应用：三者结合可以制造出高性能、多功 能的电子设备如多功能传感器、高性能存储器等。
4.3(3)铁电性能解析
电畴“转向”
* 铁电畴在外电场作用下，总是要趋向于与 外电场方向一致。这形象地称作电畴“转 向”。 * 实际上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。
电滞回线
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述
反铁电体
具有反铁电性的材料统称为反铁电体。
反铁电体与铁电体具有某些相似之处：晶体结构
4.3压电性、热释电性、铁电性 能 压电效应：
对压电晶体在一定方向上施加机械应力时，在其 两端表面上会出现数量相等、符号相反的束缚电 荷；作用力相反时，表面荷电性质亦反号，而且 在一定范围内电荷密度与作用力成正比，称为正 压电效应
反之，在一定方向的电场作用下，则会产生外形 尺寸的变化，在一定范围内，其形变与电场强度 成正比，称为逆压电效应-电致伸缩
钛酸钡晶体结构
BaTiO3自发极化方微观机理
铁电滞回线
铁电畴
铁电体自发极化的方向不相同，但在一个小区域内， 各晶胞的自发极化方向相同，这个小区域就称为铁 电畴。 两畴之间的界壁称为畴壁。 铁电畴壁的厚度很薄,大约是几个晶格常数的量级。 （90°畴壁50～100Å， 180°畴壁5～20Å）
值，即降低-T非线性，也使工作状态相应于ε～T平
缓区。
实际应用
• 铁电体可用来作信息存储、图象显示。 • 利用晶体的电光效应可制作光调制器、晶体 光阀、电光开关等光器件。
铁电材料的特征
3、居里点Tc:铁电材料重要参数
通常铁电体的自发极化只在一定温度范围内呈 现，当温度高于某一临界温度Tc时，自发极化 消失。 Tc以下，局部电场作用大于热激发，偶极子趋 于平行排列而出现铁电畴； Tc以上，热激发大 于局部电场作用，偶极子趋于无序排列而变为 顺电相。
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2. 聚合物的铁电性在70年代末期得到确证。虽然PVDF的 热电性和压电性早已被发现，但直到70年代末才得到 论证，并且人们发现了一些新的铁电聚合物。聚合物 组分繁多，结构多样化，预期从中可发掘出更多的铁 电体，从而扩展铁电体物理学的研究领域，并开发新 的应用。
集成铁电体的研究
1. 铁电薄膜与半导体的集成称为集成铁电体，近年来广泛开 展了此类材料的研究。铁电存贮器的基本形式是铁电随机 存取存贮器。早期以为主要研究对象，直至年实现了的商 业化。与五六十年代相比，当前的材料和技术解决了几个 重要问题。一是采用薄膜，极化反转电压易于降低，可以 和标准的硅或电路集成；二是在提高电滞回线矩形度的同 时，在电路设计上采取措施，防止误写误读；三是疲劳特 性大有改善，已制出反转次数达5*1012次仍不显示任何疲劳 的铁电薄膜。
铁电体的研究进展
第一性原理的计算
现代能带结构方法和高速计算机的反展使得对 铁电性起因的研究变为可能。通过第一性原理 的计算，对BaTiO3、PbTiO3、KNbO3和LiTaO3等铁 电体，得出了电子密度分布，软模位移和自发 极化等重要结果，对阐明铁电性的微观机制有 重要作用。
尺寸效应的研究
随着铁电薄膜和铁电超微粉的发展，铁电尺寸 效应成为一个迫切需要研究的实际问题。近年 来，人们从理论上预言了自发极化、相变温度 和介电极化率等随尺寸变化的规律，并计算了 典型铁电体的铁电临界尺寸。这些结果不但对 集成铁电器件和精细复合材料的设计有指导作 用，而且是铁电理论在有限尺寸条件下的发展。
钛酸钡的晶体结构图和铁电相变图
典型的反铁电材料
1. NH4H2PO4型（包括NH4H2AsO4及氘代盐等 ）； 2. （NH4）2SO4型（包括NH4HSO4 及NH4LiSO4等 ）； 3. （NH4）2H3IO6型（包括Ag2H3IO6 等）； 4. 钙钛矿型（包括NaNbO3、PbZrO3、PbHfO3、Pb
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（双电滞回线），做贮能电容器和电压调节 元件。
换能应用
• 利用反铁电-铁电相变的体积效应，做换能器。
贮能应用
利用反铁电材料的极化强度-电场的双电滞回 线特性，可以制作一种新型的电压调节器件。 把这种器件与电路中的负载并联，可以使负 载两端电压稳定在一个相当狭窄的范围之内。 这种器件适于在高压下使用，尺寸小，重量 轻，不需附加别的装置，能用于交流、直流 和脉冲功率源。
压电性：某些介质的单晶体，当受到定向压力或张 力的作用时，能使晶体垂直于应力的两侧表面上分 别带有等量的相反电荷的性质。
铁电电 体
声电效 应
热释电 效应
光电效应：物质由于吸收光子而产生电的现象。
声电效应：通过在半导体中传播的声波的作用 而产生电动势的一种现象。
换能应用
传统的压电体的能量转换是线性的，而且是可逆的。 但是，由于介电损耗及机械损耗的原因，它只能在低 负荷循环下工作，而可转换 的能量密度约为0.05焦耳 /厘米3。利用电场强迫反铁电相变，转变为铁电体， 使它放出机械能；或者施加压应力强迫铁电体转变为 反铁电体，使放出电能。这种方法产生的机电能量转 换的能量密度可超过1焦耳/厘米3。强迫相转变换能实 际是使铁电陶瓷内部大量的电畴发生再取向，因而有 更大的能量密度。但这时全部或大部分极化状态受到 破坏，能量转换过程是非线性的。由于伴随着有电滞 回线现象，因而重复率及负荷循环必须低。施加偏压 可以使相转变成为可逆的。
铁电与反铁电的比较
1. 铁电体和反铁电体的基本 性质
2. 铁电体的研究进展 3. 反铁电体的研究进展 4. 反铁电陶瓷
铁电体的定义：
铁电体：某些晶体在一定的温度 范围内具有自发极化，而且其自 发极化方向可以因外电场方向的 反向而反向，晶体的这种性质称 为铁电性，具有铁电性的晶体称 为铁电体
反铁电体的定义：
换能应用
从反铁电到铁电的相变可以由于温度变化、提 高电场或改变压力形式而发生。材料在相变过 程中会发生体积变化。从立方顺电相或反铁电 相向铁电相转变，都伴随着体积的增加。这样， 利用电场强迫反铁电到铁电的相变，就会因晶 胞几何体积的变化把电能转换为机械能。
反铁电陶瓷
目前的研究
目前实际应用的反铁电材料主要是改性的 PbZrO3陶瓷。对PbZrO3进行改性掺杂，会使它 的反铁电-铁电相变点降低，甚至可以降到室 温以下；或者一个极化电场，使它变成亚稳的 铁电相。
反铁电体：在一定温度范围内 相邻离子联线上的偶极子呈反 平行排列，宏观上自发极化强 度为零，无电滞回线的材料， 称为反铁电体。
典型的铁电材料
铁电材料概括起来可以分为两大类： a.一类以磷酸二氢钾 KH2PO4 --简称KDP--为代表，
具有氢键，他们从顺电相过渡到铁电像是无序 到有序的相变； b.另一类则以钛酸钡为代表，从顺电相到铁电相 的过渡是由于其中两个子晶格发生相对位移。
铁电液晶和铁电聚合物的基础和应用研究
1. 1975年MEYER发现，由手性分子组成的倾斜的层状c相 液晶具有铁电性。在性能方面，铁电液晶在电光显示 和非线性光学方面很有吸引力。电光显示基于极化反 转，其响应速 度比普通丝状液晶快几个数量级。非线 性光学方面，其二次谐波发生效率已不低于常用的无 机非线性光学晶体。
铁电体的特性：
A. 极化强度P和电场强度E有复杂的非线性关 系，εr不是常量，它随E变，最大可达几千；
B. 有电滞现象，在周期性变化的电场作用下， 出现电滞回线，有剩余极化强度；
C. 当温度超过某一温度时，铁电性消失，这 一温度叫做居里（Pierre Curie）温度；
D. 铁电体内存在自发极化小区，把这种小区 叫做电畴。
在顺电-铁电相变中，各晶胞中出现了电偶极 矩，铁电相晶胞与顺电相晶胞比较，只是发生 了微小的畸变。在顺电-反铁电相变中，顺电 相的相邻晶胞出现了方向相反的偶极矩，显然 这样的“晶胞”已不能作为反铁电相的结构重 复单元。反铁电相晶胞的体积因而是顺电相晶 胞的倍数。晶胞体积倍增是反铁电相变的特征 之一。反铁电相变可认为是顺电相相邻晶胞出 现反向极化的结果，于是反铁电相点群可由顺 电相点群与反向极化的叠加而得出。
铁电体的性质
铁电 性
介电 性
铁电 体
压电 性
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。
介电性：将某一均匀的电介质作为电容器的介质而 置于其两极之间，则由于电介质的极化，将使电容 器的电容量比真空为介质时的电容量增加若干倍的 性质。
正是因为存在电畴，铁电体才具有以上这些 独特的性质。
关于双电滞回线
反铁电体在转变温度以下，邻近的 晶胞彼此沿反平行方向自发极化。 反铁电体一般宏观无剩余极化强度， 但在很强的外电场作用下，可以诱 导成铁电相，其P-E呈双电滞回线。 其在E较小时，无电滞回线，当E很 大时，出现了双电滞回线。
反铁电相变
2. 在存贮器上的重大应用己逐渐在铁电薄膜上实现。与此同 时，铁电薄膜的应用也不局限于铁电随机存贮器，还有铁 电场效应晶体管、铁电动态随机存取存贮器等。除存贮器 外，集成铁电体还可用于红外探测与成像器件，超声与声 表面波器件以及光电子器件等。
反铁电体的研究方向
反铁电体的应用
贮能应用 • 利用反铁电-铁电相变时的D-E的非线性关系
反铁电换能器存在的问题
1. 反铁电换能器的相变滞后要消耗很大能量， 损耗较大，目前效率最高只能达到40%左右 （压电换能器可达90%）；
2. 使用反铁电换能器必须外加一个很高的直流 偏压（相当于相变电场）；
3. 由于内耗大，工作中发热大，不大可能进行 连续操作，只能作脉冲式的工作，工作频率 太高也不行（超声的频率就已经不大适应 了），所以只能在低频、低工作循环时使用。
（Mg1／2W1／2）O3等）； 5. RbNO3等。
铁电体与反铁电体的相同点
在相变温度时，介电常数出现反 常值；
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。
介电反常
铁电体与反铁电体的不同点
关于电滞回线
铁电体中由于出现畴结构，一般地宏观极化强 度p＝0。当外电场E 很小时p与E有线性关系。 当E足够大以后，出现p 滞后于E而变化的关系 曲线称为电滞回线。经过固定振幅的强交变电 场多次反复极化之后，电滞回线有大致稳定的 形状,参见图。其中的箭头标明回线循环的方向。 当 E很大时极化趋向饱和，从这部分外推至纵 轴的截距p称为饱和极化强度。E由幅值减小时 p 略有降低，当E＝0时，铁电体具有剩余极化 强度pr；当电场反向至E=-Ec时，剩余极化迅速 消失，反向电场继续增大时极化反向形成大致 对称的回线；Ec称为矫顽场。电滞回线是判断 铁电性的重要标志。
热释电效应：由于温度的变化引起极化状态改 变的现象。
光折变效应：在光场的作用下使材料中的折射 率发生了可逆的变化的现象。
铁电体各种性质的应用
1. 铁电性: 铁电场效应晶体管FFET 2. 介电性:大容量电容\可调谐微波器件 3. 压电性:压电传感器\换能器\马达 4. 电光效应:光开关\光波导\光显示器件 5. 声光效应:声光偏转器 6. 光折变效应:光调制器件\光信息存储器件 7. 热释电效应:非致冷红外焦平面阵列
集成铁电体的研究
1. 铁电薄膜与半导体的集成称为集成铁电体，近年来广泛开 展了此类材料的研究。铁电存贮器的基本形式是铁电随机 存取存贮器。早期以为主要研究对象，直至年实现了的商 业化。与五六十年代相比，当前的材料和技术解决了几个 重要问题。一是采用薄膜，极化反转电压易于降低，可以 和标准的硅或电路集成；二是在提高电滞回线矩形度的同 时，在电路设计上采取措施，防止误写误读；三是疲劳特 性大有改善，已制出反转次数达5*1012次仍不显示任何疲劳 的铁电薄膜。
铁电体的研究进展
第一性原理的计算
现代能带结构方法和高速计算机的反展使得对 铁电性起因的研究变为可能。通过第一性原理 的计算，对BaTiO3、PbTiO3、KNbO3和LiTaO3等铁 电体，得出了电子密度分布，软模位移和自发 极化等重要结果，对阐明铁电性的微观机制有 重要作用。
尺寸效应的研究
随着铁电薄膜和铁电超微粉的发展，铁电尺寸 效应成为一个迫切需要研究的实际问题。近年 来，人们从理论上预言了自发极化、相变温度 和介电极化率等随尺寸变化的规律，并计算了 典型铁电体的铁电临界尺寸。这些结果不但对 集成铁电器件和精细复合材料的设计有指导作 用，而且是铁电理论在有限尺寸条件下的发展。
钛酸钡的晶体结构图和铁电相变图
典型的反铁电材料
1. NH4H2PO4型（包括NH4H2AsO4及氘代盐等 ）； 2. （NH4）2SO4型（包括NH4HSO4 及NH4LiSO4等 ）； 3. （NH4）2H3IO6型（包括Ag2H3IO6 等）； 4. 钙钛矿型（包括NaNbO3、PbZrO3、PbHfO3、Pb
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（双电滞回线），做贮能电容器和电压调节 元件。
换能应用
• 利用反铁电-铁电相变的体积效应，做换能器。
贮能应用
利用反铁电材料的极化强度-电场的双电滞回 线特性，可以制作一种新型的电压调节器件。 把这种器件与电路中的负载并联，可以使负 载两端电压稳定在一个相当狭窄的范围之内。 这种器件适于在高压下使用，尺寸小，重量 轻，不需附加别的装置，能用于交流、直流 和脉冲功率源。
压电性：某些介质的单晶体，当受到定向压力或张 力的作用时，能使晶体垂直于应力的两侧表面上分 别带有等量的相反电荷的性质。
铁电电 体
声电效 应
热释电 效应
光电效应：物质由于吸收光子而产生电的现象。
声电效应：通过在半导体中传播的声波的作用 而产生电动势的一种现象。
换能应用
传统的压电体的能量转换是线性的，而且是可逆的。 但是，由于介电损耗及机械损耗的原因，它只能在低 负荷循环下工作，而可转换 的能量密度约为0.05焦耳 /厘米3。利用电场强迫反铁电相变，转变为铁电体， 使它放出机械能；或者施加压应力强迫铁电体转变为 反铁电体，使放出电能。这种方法产生的机电能量转 换的能量密度可超过1焦耳/厘米3。强迫相转变换能实 际是使铁电陶瓷内部大量的电畴发生再取向，因而有 更大的能量密度。但这时全部或大部分极化状态受到 破坏，能量转换过程是非线性的。由于伴随着有电滞 回线现象，因而重复率及负荷循环必须低。施加偏压 可以使相转变成为可逆的。
铁电与反铁电的比较
1. 铁电体和反铁电体的基本 性质
2. 铁电体的研究进展 3. 反铁电体的研究进展 4. 反铁电陶瓷
铁电体的定义：
铁电体：某些晶体在一定的温度 范围内具有自发极化，而且其自 发极化方向可以因外电场方向的 反向而反向，晶体的这种性质称 为铁电性，具有铁电性的晶体称 为铁电体
反铁电体的定义：
换能应用
从反铁电到铁电的相变可以由于温度变化、提 高电场或改变压力形式而发生。材料在相变过 程中会发生体积变化。从立方顺电相或反铁电 相向铁电相转变，都伴随着体积的增加。这样， 利用电场强迫反铁电到铁电的相变，就会因晶 胞几何体积的变化把电能转换为机械能。
反铁电陶瓷
目前的研究
目前实际应用的反铁电材料主要是改性的 PbZrO3陶瓷。对PbZrO3进行改性掺杂，会使它 的反铁电-铁电相变点降低，甚至可以降到室 温以下；或者一个极化电场，使它变成亚稳的 铁电相。
反铁电体：在一定温度范围内 相邻离子联线上的偶极子呈反 平行排列，宏观上自发极化强 度为零，无电滞回线的材料， 称为反铁电体。
典型的铁电材料
铁电材料概括起来可以分为两大类： a.一类以磷酸二氢钾 KH2PO4 --简称KDP--为代表，
具有氢键，他们从顺电相过渡到铁电像是无序 到有序的相变； b.另一类则以钛酸钡为代表，从顺电相到铁电相 的过渡是由于其中两个子晶格发生相对位移。
铁电液晶和铁电聚合物的基础和应用研究
1. 1975年MEYER发现，由手性分子组成的倾斜的层状c相 液晶具有铁电性。在性能方面，铁电液晶在电光显示 和非线性光学方面很有吸引力。电光显示基于极化反 转，其响应速 度比普通丝状液晶快几个数量级。非线 性光学方面，其二次谐波发生效率已不低于常用的无 机非线性光学晶体。
铁电体的特性：
A. 极化强度P和电场强度E有复杂的非线性关 系，εr不是常量，它随E变，最大可达几千；
B. 有电滞现象，在周期性变化的电场作用下， 出现电滞回线，有剩余极化强度；
C. 当温度超过某一温度时，铁电性消失，这 一温度叫做居里（Pierre Curie）温度；
D. 铁电体内存在自发极化小区，把这种小区 叫做电畴。
在顺电-铁电相变中，各晶胞中出现了电偶极 矩，铁电相晶胞与顺电相晶胞比较，只是发生 了微小的畸变。在顺电-反铁电相变中，顺电 相的相邻晶胞出现了方向相反的偶极矩，显然 这样的“晶胞”已不能作为反铁电相的结构重 复单元。反铁电相晶胞的体积因而是顺电相晶 胞的倍数。晶胞体积倍增是反铁电相变的特征 之一。反铁电相变可认为是顺电相相邻晶胞出 现反向极化的结果，于是反铁电相点群可由顺 电相点群与反向极化的叠加而得出。
铁电体的性质
铁电 性
介电 性
铁电 体
压电 性
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。
介电性：将某一均匀的电介质作为电容器的介质而 置于其两极之间，则由于电介质的极化，将使电容 器的电容量比真空为介质时的电容量增加若干倍的 性质。
正是因为存在电畴，铁电体才具有以上这些 独特的性质。
关于双电滞回线
反铁电体在转变温度以下，邻近的 晶胞彼此沿反平行方向自发极化。 反铁电体一般宏观无剩余极化强度， 但在很强的外电场作用下，可以诱 导成铁电相，其P-E呈双电滞回线。 其在E较小时，无电滞回线，当E很 大时，出现了双电滞回线。
反铁电相变
2. 在存贮器上的重大应用己逐渐在铁电薄膜上实现。与此同 时，铁电薄膜的应用也不局限于铁电随机存贮器，还有铁 电场效应晶体管、铁电动态随机存取存贮器等。除存贮器 外，集成铁电体还可用于红外探测与成像器件，超声与声 表面波器件以及光电子器件等。
反铁电体的研究方向
反铁电体的应用
贮能应用 • 利用反铁电-铁电相变时的D-E的非线性关系
反铁电换能器存在的问题
1. 反铁电换能器的相变滞后要消耗很大能量， 损耗较大，目前效率最高只能达到40%左右 （压电换能器可达90%）；
2. 使用反铁电换能器必须外加一个很高的直流 偏压（相当于相变电场）；
3. 由于内耗大，工作中发热大，不大可能进行 连续操作，只能作脉冲式的工作，工作频率 太高也不行（超声的频率就已经不大适应 了），所以只能在低频、低工作循环时使用。
（Mg1／2W1／2）O3等）； 5. RbNO3等。
铁电体与反铁电体的相同点
在相变温度时，介电常数出现反 常值；
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。
介电反常
铁电体与反铁电体的不同点
关于电滞回线
铁电体中由于出现畴结构，一般地宏观极化强 度p＝0。当外电场E 很小时p与E有线性关系。 当E足够大以后，出现p 滞后于E而变化的关系 曲线称为电滞回线。经过固定振幅的强交变电 场多次反复极化之后，电滞回线有大致稳定的 形状,参见图。其中的箭头标明回线循环的方向。 当 E很大时极化趋向饱和，从这部分外推至纵 轴的截距p称为饱和极化强度。E由幅值减小时 p 略有降低，当E＝0时，铁电体具有剩余极化 强度pr；当电场反向至E=-Ec时，剩余极化迅速 消失，反向电场继续增大时极化反向形成大致 对称的回线；Ec称为矫顽场。电滞回线是判断 铁电性的重要标志。
热释电效应：由于温度的变化引起极化状态改 变的现象。
光折变效应：在光场的作用下使材料中的折射 率发生了可逆的变化的现象。
铁电体各种性质的应用
1. 铁电性: 铁电场效应晶体管FFET 2. 介电性:大容量电容\可调谐微波器件 3. 压电性:压电传感器\换能器\马达 4. 电光效应:光开关\光波导\光显示器件 5. 声光效应:声光偏转器 6. 光折变效应:光调制器件\光信息存储器件 7. 热释电效应:非致冷红外焦平面阵列