铁电陶瓷材料介绍及其应用PPT(22张)
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铁电陶瓷.ppt
电滞回线(hysteresis curve)：铁电体在铁 电态下极化对电场关系的典型回线。
电畴：在铁电体中，固有电偶极矩在一定的子 区域内取向相同的这些区域就称为电畴或畴。
畴壁：畴的间界。
无外加电场时：电畴在晶体中分布杂乱无章，使整个晶体 表现为电中性，宏观上无极性。
电场
电场
方向
方向
(a)
(b)
V
介
S
质
Q Qo Q'
静态介电系数：
D C h ε：反映了极板间电介质性质
E S C： 极板电容
电偶极子：由大小相等、符号相反、彼此相距为l的 两点电荷(+q、-q)所组成的束缚系统，称为偶极子，
l
+q
-q
电偶极矩：表示微观上质点在外电场的极化情况。
ql
极化率：表示单位电场作用下的电偶极矩。
(2) BaTiO3的相变
立方
四方
正交
三角
三角
正交
四方
立方
BaTiO3的介电常数与温度的关系
(3) 自发极化产生的原因
Ti4+－O2-间距大（2.005A），故氧八面体间隙大，Ti4+ 离子能在氧八面体中振动。 T>120℃，Ti4+处在各方几率相同（稳定地偏向某一个氧 离子的几率为零），对称性高，顺电相。 T<120℃，Ti4+由于热涨落，偏离一方，形成偶极矩，按 氧八面体三维方向相互传递，耦合，形成自发极化的小 区域，即电畴。
OD：电场为零，剩余极化Pr OE：自发极化Ps OF：矫顽场Ec
铁电体的电滞回线
P总＝P感＋Ps
电滞回线的形成与电畴的反转有关
电畴的观测： ➢ 电子显微镜TEM ➢ 原子力显微镜AFM ➢ 液晶法 ➢ 化学腐蚀法 ➢ 粉末沉淀法 ➢ X射线形貌术 ➢ 光的双折射
电畴：在铁电体中，固有电偶极矩在一定的子 区域内取向相同的这些区域就称为电畴或畴。
畴壁：畴的间界。
无外加电场时：电畴在晶体中分布杂乱无章，使整个晶体 表现为电中性，宏观上无极性。
电场
电场
方向
方向
(a)
(b)
V
介
S
质
Q Qo Q'
静态介电系数：
D C h ε：反映了极板间电介质性质
E S C： 极板电容
电偶极子：由大小相等、符号相反、彼此相距为l的 两点电荷(+q、-q)所组成的束缚系统，称为偶极子，
l
+q
-q
电偶极矩：表示微观上质点在外电场的极化情况。
ql
极化率：表示单位电场作用下的电偶极矩。
(2) BaTiO3的相变
立方
四方
正交
三角
三角
正交
四方
立方
BaTiO3的介电常数与温度的关系
(3) 自发极化产生的原因
Ti4+－O2-间距大（2.005A），故氧八面体间隙大，Ti4+ 离子能在氧八面体中振动。 T>120℃，Ti4+处在各方几率相同（稳定地偏向某一个氧 离子的几率为零），对称性高，顺电相。 T<120℃，Ti4+由于热涨落，偏离一方，形成偶极矩，按 氧八面体三维方向相互传递，耦合，形成自发极化的小 区域，即电畴。
OD：电场为零，剩余极化Pr OE：自发极化Ps OF：矫顽场Ec
铁电体的电滞回线
P总＝P感＋Ps
电滞回线的形成与电畴的反转有关
电畴的观测： ➢ 电子显微镜TEM ➢ 原子力显微镜AFM ➢ 液晶法 ➢ 化学腐蚀法 ➢ 粉末沉淀法 ➢ X射线形貌术 ➢ 光的双折射
介电铁电陶瓷
当压力撤去后，陶瓷片恢复原状(膨胀 过程)，陶瓷片内的正、负电荷之间的距离 变大，极化强度也变大，因此，电极上又 吸附一部分自由电荷而出现充电现象。
③当在瓷片上施加与极化方向相同的电 场时，此时增大了极化强度，瓷片发生伸长 形变，此时，电能变为机械能(逆压电)。此 过程示意如下：
压电陶瓷的性能参数
+
+
+
－
－
－
荷数量相等，符号相反， +
起屏蔽和抵消片内极化 强度对外界的作用。
－ + －
+
+
－
－
+
+
－
－
电场处理后的陶瓷片 + + + + + + ++ +
②当在瓷片上加一个与极化方向平行的压 力F时，在应力的作用下瓷片发生压缩形变，片 内的正、负电荷之间的距离变小，极化强度也 变小，原来吸附在电极上的自由电荷有一部分 被释放出来，这就是被压缩后出现的压电效应 (正压电)。其过程示意所示：
偶极子
±
E
-q
+q
偶极子
l
电偶极矩 ：=ql（单位：库仑 ·米）
外场越强，l越大，越大；电场消失， 消失
电偶极矩的方向：负电荷指向正电荷。电偶极矩的方 向与外电场的方向一致。
质点的极化率： = /Eloc ，单位：F·m2，与材料的 性质有关，表征材料的极化能力
2.2 陶瓷的极化
介电材料的极化，其原理是 对材料施以一个电场或磁场 都能使其产生不平衡电荷的 原子或原子团，結果材料內 的电荷立即重新分布。
铁电体的极化强度P随外加电场强度E的变化轨迹
功能陶瓷材料及应用(铁电陶瓷篇)(1)
• 类钙钛矿层：(An-1BnO3n+1)2-
• 铋层：(Bi2O2)2+
• 层面与氧八面体的四重轴垂
h
直，每隔n个2类9 钙钛矿氧八
• A=Bi, B=Mo, n=1Bi2MoO6 • A=Sr, B=Ta, n=2 SrBi2Ta2O9 • A=Bi, B=Ti, n=3 Bi4Ti3O12 • A=Ba,B=Ti, n=4 BaBi4Ti4O15
如K6Li4Nb10O30
h
25
• 钨青铜结构铁电体一般为四方对称型4mm • 有些呈正交对称性，如Pb5-xBaxNb10O30在x>1.9时属四方对称型
4mm, x<1.9时属正交对称型mm2。 • 钨青铜型铁电体自发极化也起因于离子的相对位移，处于氧八面
体中心和A1、A2位置上的金属离子，相对于附近氧离子平面发生 位移，
• 对于四方钨青铜结构，Ps沿c轴。
h
26
• 有相当数量的晶体属于钨青铜结构,如:
偏铌酸铅（PbNb2O6）、铌酸钡钠、铌酸锶钡、铌 酸锂钾、铌酸锶钾、铌酸锶钠、铌酸锶钠、铌酸钡 钾、铌酸锶锂钾、铌酸锶锂钠、铌酸钡锶钾、铌酸 钡锶锂等
• 重要的高介微波介质陶瓷： 如BaO-Ln2O3-TiO2
h
27
Pb(Ni1/3Nb2/3)O3和Pb(Sc1/2Ta1/2)O3（分别简称PMN、PZN、PNN和 PST）等
h
2
Typical Relaxor Ferroelectrics
• Relaxor
Tm (oC) m Firing temperature (oC)
• Pb(Fe1/2Nb1/2)O3 112 • Pb(Fe2/3W1/3)O3 -90 • Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 -12 • Pb(Ni1/3Nb2/3)O3 -150 • Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 140 • Pb(Sc1/2Ta1/2)O3 26
铁电材料PPT幻灯片课件
读写过程不需要大电场， 在读后也不需重写。设计 简单。
18
压电陶瓷
声马达是压电陶瓷应用中一个 引人注目的新领域,它是利用压 电陶瓷的逆压电效应,直接把电 能转换成机械能输出而无需电 磁线圈的新型电机，与普通电 磁马达相比，它具有结构简单 、启动快、体积小、功耗低等 特点。另外，由于它是从电能 直接转换为机械能而不通过磁 电转换，因此，不产生磁干扰 也不怕磁干扰。
，擦写次数低,写数据功耗大等缺点。
16
FeRAM器件结构
17
铁电存储器（MFSFET）
MFS(Metal Ferroelectric –Semiconductor )FET
在MOS中用铁电薄膜（F） 代替二氧化硅栅氧化物薄 膜（O）构成MFSFET场 效应管
由于极化滞后，漏电流展 现两种状态：开，关
Kbit和1Mbit等密度。
非易失性记忆体掉电后数据不丢失。可
是所有的非易失性记忆体均源自ROM技术。
你能想象到,只读记忆体的数据是不可能修改
的。所有以它为基础发展起来的非易失性记
忆体都很难写入，而且写入速度慢，它们包
括EPROM（现在基本已经淘汰）,EEPROM
和Flash，它们存在写入数据时需要的时间长
10
ABO3型钙钛矿晶胞结构
11
铁电材料的分类
（1）结晶化学分类
含有氢键的晶体：磷酸二氢钾（KDP）、三甘氨酸硫酸盐（TGS）、罗息盐
（RS）等。这类晶体通常是从水溶液中生长出来的，故常被称为水溶性铁电体，
又叫软铁电体；
（Li2双O氧-N化b2物O晶5）体等：，如这B类aT晶iO体3（是B从aO高-T温iO熔2）体、或K熔N盐bO中3（生K长2出O-来N的b2，O5又）称、为L硬iNb铁O电3 体．它们可以归结为ABO3型，Ba2+，K+、Na+离子处于A位置，而Ti4+、Nb6+、 Ta6+离子则处于B位置。
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压电陶瓷
声马达是压电陶瓷应用中一个 引人注目的新领域,它是利用压 电陶瓷的逆压电效应,直接把电 能转换成机械能输出而无需电 磁线圈的新型电机，与普通电 磁马达相比，它具有结构简单 、启动快、体积小、功耗低等 特点。另外，由于它是从电能 直接转换为机械能而不通过磁 电转换，因此，不产生磁干扰 也不怕磁干扰。
，擦写次数低,写数据功耗大等缺点。
16
FeRAM器件结构
17
铁电存储器（MFSFET）
MFS(Metal Ferroelectric –Semiconductor )FET
在MOS中用铁电薄膜（F） 代替二氧化硅栅氧化物薄 膜（O）构成MFSFET场 效应管
由于极化滞后，漏电流展 现两种状态：开，关
Kbit和1Mbit等密度。
非易失性记忆体掉电后数据不丢失。可
是所有的非易失性记忆体均源自ROM技术。
你能想象到,只读记忆体的数据是不可能修改
的。所有以它为基础发展起来的非易失性记
忆体都很难写入，而且写入速度慢，它们包
括EPROM（现在基本已经淘汰）,EEPROM
和Flash，它们存在写入数据时需要的时间长
10
ABO3型钙钛矿晶胞结构
11
铁电材料的分类
（1）结晶化学分类
含有氢键的晶体：磷酸二氢钾（KDP）、三甘氨酸硫酸盐（TGS）、罗息盐
（RS）等。这类晶体通常是从水溶液中生长出来的，故常被称为水溶性铁电体，
又叫软铁电体；
（Li2双O氧-N化b2物O晶5）体等：，如这B类aT晶iO体3（是B从aO高-T温iO熔2）体、或K熔N盐bO中3（生K长2出O-来N的b2，O5又）称、为L硬iNb铁O电3 体．它们可以归结为ABO3型，Ba2+，K+、Na+离子处于A位置，而Ti4+、Nb6+、 Ta6+离子则处于B位置。
铁电功能材料PPT课件
A(B1+4，B2+4)O3型
Pb(Ti，Zr)O3， Ba(Ti，Zr)O3
1.3、 特 性
第五章 铁电功能材料
铁电晶体内自发极化一致的区域称为电 畴。铁电体中一般包含着多个电畴。两个 相邻电畴自发极化间的夹角可以为180˚或 90 ˚ ，分别称为180 ˚畴和90 ˚畴。
1、 电畴 ferroelectric domain 铁电体内自发极化相同的小区域称为电畴，～10μm； 电畴与电畴之间的交界称为畴壁 两种：90°畴壁和180°畴壁
第五章 铁电功能材料
• 电介质的极化有3种主要基本过程，即 材料中原子核外电子云畸变产生的电子极 化；分子中正、负离子相对位移造成的离 子极化和分子固有电矩在外电场作用下转 动导致的转向极化。
第五章 铁电功能材料
介质的极化特性与其晶体结构有着深刻的内在 联系。
按照其对称性，晶体可分为7大晶系，32种点 群，见书中表4-1。其中有20种点群不具有中心对 称，它们的电偶极矩可因弹性形变而改变，因而 具有压电性并称为压电体。在压电体中具有唯一 极轴（又称为自发极化轴）的10种点群可出现自 发极化，即在无外电场存在的情况下也存在电极 化。它们因受热产生电荷，故称为热释电体。在 这些极性晶体中，因外加电场作用而改变自发极 化方向的晶体便是铁电体。因此，凡是铁电体必 然是热释电体，而热释电体也必然是压电体。
S∝E2 这种效应称为电致伸缩效应。
与压电效应的区别：
压电效应产生的应变与电场成正 比，当电场反向时，应变改变符号， 即正向电场使试样伸长，反向电场使 试样缩短。
电致伸缩效应产生的应变与电场的 平方成正比，当电场反向时，应变不 改变符号，即无论正向电场或反向电 场均使试样伸长（缩短）。
铁电陶瓷材料的应用以及生产工艺之七
铁电陶瓷材料的应用以及生产工艺之七铁电陶瓷材料，是指具有铁电效应的一类功能性陶瓷材料，它是热释电材料的一个分支。
可用于大容量的电容器、高频用微型电容器、高压电容器、叠层电容器和半导体陶瓷电容器等，可以制作介质放大器和相移器等。
利用其热释电性，可制作红外探测器等。
也用于制造光阀、光调制器、激光防护镜和热电探测器等。
广泛应用于航天、军工、新能源产品。
这里介绍，主要是参考它的加工工艺，比如为固体电解质的加工提供一定的参考。
另一方面是顺便了解一下这特种陶瓷的用途。
室温研磨法固相反应制备铁电陶瓷粉末：――机械合金化制备的铁电体：锆钛酸铅锆钛酸铅(Pb(ZrxTi1－X)O，或PZT)是PT和锆酸铅(PbZrO3或PZ)的固溶体，具有杰出的铁电、压电、热电和光电性能，广泛应用于传感器、声纳、微动台、旋转式激励器和热电传感器中。
有专家研究了用具有碳化钨筒和球的行星高能球磨机对(PbO、ZrO2和TiO2)混合物球磨不同时间后PZT相的形成情况。
球磨4h没有形成PZT，但PbO衍射峰大大变宽并弱化，球磨15和24h后，PZT成为主要相。
球磨过程中，相变会导致不同程度的体积膨胀。
研究表明，延长球磨时间，体积膨胀程度减小，意味着未反应的氧化物数量减少。
球磨24 h的混合物反应完全，故几乎没有观察到体积膨胀。
有专家通过行星球磨机对PbO、ZrO2、TiO2氧化物强化粉碎(高的球磨速度和大的球料比)5—480min后发现，球磨lh便得到PZT相及少量未反应的ZrO2，球磨2h时后相组成相同，未反应的ZrO2量达到最少。
对球磨粉末做比表面积测试后发现，球磨30min后其比表面积达到最大，并促进了初始氧化物间的反应，以致球磨1h后几乎得到纯PZT相，进一步延长球磨时间，粉末开始团聚，比表面积减小。
该成果表明通过增加球磨速度和球料比可减少消耗的时间并提高生产量。
――机械合金化制备的铁电体：铌镁酸铅轻巧的铌镁酸铅(Pb(Mg1／3Nb2／3)O3或PMN)弛豫铁电体广泛用于电容器、致动器和超声传感器等中。
铁电材料介绍课件
Pb(B+21/2B+61/2)O3型 Pb(B+31/2B+51/2)O3型 Pb(B+32/3B+61/3)O3型 Pb(B1+41/2B2+41/2)O3型
Pb(Ti1/2Zr1/2)O3， Ba(Ti1/2Zr1/2)O3
PCMP
三：铁电体主要特征与物理属性
1. 2. 3. 4. 5. 6. 自发极化（Spontaneous polarization） 铁电畴 (Ferroelectric domain) 电滞回线(Hysteresis loop) 居里温度(Curie temperature,Tc) 介电反常(Dielectric anomalous) 重要物理效应
A1A2占据A位，满足条件： A位化合价= A1·x1+A2 ·x2=+2价 B1B2占据B位，满足条件： B位化合价= B1·y1+B2 ·y2=+4价
尝试写出一些钙钛矿化合物？？
PCMP
PCMP
A位变化形成的化合物：
(A1+2A2+2)TiO3型 (Sr,Ba)TiO3 (Mg,Zn)TiO3 (A+11/2A+31/2)TiO3型 (Na1/2Bi1/2)TiO3 (K1/2Bi1/2)TiO3
ABO3型钙钛矿结构
PCMP
ABO3型钙钛矿晶胞结构
PCMP
形成钙钛矿条件：
离子A、B、C的半径RA、RB、RO满足下列关系才能组成ABO3结构：
t = ( RA + RO ) /( 2 ( RB + RO ))
式中t为容差因子（0.9~1.1范围内）， A离子半径约为1.00~1.40Å， B离子半径约为0.45~0.75Å， O氧离子半径为1.32Å。
铁电陶瓷材料的应用以及生产工艺之六
铁电陶瓷材料的应用以及生产工艺之六铁电陶瓷材料，是指具有铁电效应的一类功能性陶瓷材料，它是热释电材料的一个分支。
可用于大容量的电容器、高频用微型电容器、高压电容器、叠层电容器和半导体陶瓷电容器等，可以制作介质放大器和相移器等。
利用其热释电性，可制作红外探测器等。
也用于制造光阀、光调制器、激光防护镜和热电探测器等。
广泛应用于航天、军工、新能源产品。
这里介绍，主要是参考它的加工工艺，比如为固体电解质的加工提供一定的参考。
另一方面是顺便了解一下这特种陶瓷的用途。
室温研磨法固相反应制备铁电陶瓷粉末――机械合金化制备的铁电体：钛酸钡钛酸钡(BaTiO，或BT)是第一种铁电陶瓷，具有较好的介电、铁电和压电性能，在压电致动器、多层陶瓷电容器(MLC)和正温度系数热敏电阻(PTCR)等应用中具有重要意义。
采用行星球磨机及Zr02研磨介质球磨Ti02(金红石)和BaO制得了BT。
其中：球料比为20：1，球磨机公转和自转速度分别为320r／min和400r／min。
混合物粉末分别球磨了O．5、1、2和4h。
球磨1h后开始形成少量的无定形BT，但初始氧化物仍存在，这说明短时的机械粉碎不足以得到结晶性好的纯BT。
球磨4h后，基本得到纯的BT相，没有生成中间相Ba2TiO4，晶粒尺寸为20—50nm，但粉末在一定程度下强烈团聚。
球磨4h的粉末在1330℃烧结2 h后可得到四方晶系的BT。
有专家研究了振动粉碎时间及煅烧温度对BT相形成及颗粒尺寸的影响。
对BaC03和Ti02振动粉碎0．5h后在700～1400℃(空气气氛)煅烧2h后发现，700℃时开始形成BT，但仍有未反应的初始氧化物BaCO3和TiO2。
随着煅烧温度的升高，BT相增多，初始反应物减少，出现Ba2TiO4中间相。
在1100℃，初始氧化物完全消失，但仍然有Ba2TiO4存在，增加煅烧温度至1300℃，基本获得单相BT。
进一步的研究表明，延长振动粉碎时间，可以显著降低煅烧温度和晶粒尺寸，原料振动粉碎30h后在1200℃煅烧2h便可获得单相BT。
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• 按极性轴数目分类
(a) 单轴铁电体， 如 RS, KDP, LN, 自发极化强度平行或反平行于极化轴 (b) 多轴铁电体， 如 BT, Cd2Nb2O7
Physical effect Applications
• High permittivity Capacitors (MLCs) • Polarization reversal Ferroelectric film memory • Pyroelectricity Pyroelectric sensors/detectors • Electrooptic effect Electrooptic devices • Piezoelectricity Piezoelectric/electrostrictive
第一章 铁电陶瓷材料及应用
Developmental History of Ferroelectrics
1940s Birth of ferroelectric ceramics (BaTiO3) 1950s PZT piezoelectric ceramics developed
PTC effect in BaTiO3 ceramics 1960s Transparent electro-optic PLZT ceramics 1970s The engineered ferroelectric cpmposites 1980s PMN relaxor ceramics
• Ps 可用电滞回线仪,或通过热释 电流测得
• 一般, 铁电体, Ps = 0.1-100C/cm2 • BaTiO3 Ps ~ 25 C/cm2
ro+rTi = 1.96Å O-Ti = 2.005Å
• 热释电体 (Pyroelectrics): 具有自 发极化的晶体--极性晶 体
• 热释电效应: dPi = pi dT (i = 1,2,3)
• 离子位移极化, 101210-13s, 微波频段， I = a3
• 偶极子取向极化, = 02/3KT
• 空间电荷极化
• 自发极化：在某些极性晶体中, E ＝ 0 P，
• 如: 在钙钛矿结构中，自发极化 起因于[BO6]中中心离子的位移
• 极性点群: 1, 2, m, 2mm, 4, 4mm, 3, 3m, 6, 6mm
§1.1 铁电体的基本物理特性关系 各向同性的线性电介质, P = 0E, ---电介质的极化 率 D = 0E+P, 适用于各类电 介质 D = E, 适用于各向同性线 性电介质
电极化的微观机制
• 电子位移极化, 响应 时间10-1410-16s 可 见光频段, e a3
Ferroelectric films prepared by sol-gel techniques 1990s Strain-amplified actuators (Moonie devices, RAINBOW actuators)
The integrated ferroelectric ilms on silicon Relaxor single-crystal materials Giant electrostrictive relaxor ferroelectric copolymers
transducers • PTC effect PTC thermistors
Typical ferroelectric ceramics
• BT Barium titanate • PZT Lead zirconate titanate • PLZT Lead lanthanum zirconate titanate • PMN Lead magnesium niobate • PT Lead titanate • PZN Lead zinc niobate • PZST Lead stannate zirconate titanate • PZ Lead zirconate • BST Barium strontium titanate
• pi ----热释电系数, 单位: C/m2.K
• 大多数晶体的Ps随温度 的增加而下降,热释点 系数为负
• 在热释电体中, 高度极化状态, Ps 很高, 外场难以改变Ps方向
• 少数, 在 E 作用下 Ps 可重新定向----铁电体
• 铁电体 (Ferroelectrics) : Ps
•
E Ps 重行定向-----铁电体的最重要判
32 S y m m e try Point Groups
21 Noncentrosymmetric
11 Centrosymmetric (non-piezoelectric)
20 P ie z o e le c tric P o la riz e d u n d e r s tre s s
10 P y ro e le c tric S p o n ta n e o u s ly p o la riz e d
据------铁电体具有许多独特性质的主要原因
• 铁电体是热释电体的一个亚族
• 压电体 (Piezoelectrics) : 非对称中心
• 极性晶体一定不具对称中心
• Ferroelectrics < Pyroelectrics < Piezoelectrics < Dielectrics
Interrelationship of piezoelectric and subgroups on the basis of symmetry
S u b g ro u p F e rro e le c tric S p o n ta n e o u s ly p o la riz e d P o la riz a tio n re v e rs ib le
2 铁电体的分类
• 按结晶学分类
(a) 氢键晶体，如 KDP, RS 结构特征：[PO4]，软铁电体 (b) 双氧化物晶体，如 BT, PT, 结构特点：[TiO6], 硬铁电体
(a) 单轴铁电体， 如 RS, KDP, LN, 自发极化强度平行或反平行于极化轴 (b) 多轴铁电体， 如 BT, Cd2Nb2O7
Physical effect Applications
• High permittivity Capacitors (MLCs) • Polarization reversal Ferroelectric film memory • Pyroelectricity Pyroelectric sensors/detectors • Electrooptic effect Electrooptic devices • Piezoelectricity Piezoelectric/electrostrictive
第一章 铁电陶瓷材料及应用
Developmental History of Ferroelectrics
1940s Birth of ferroelectric ceramics (BaTiO3) 1950s PZT piezoelectric ceramics developed
PTC effect in BaTiO3 ceramics 1960s Transparent electro-optic PLZT ceramics 1970s The engineered ferroelectric cpmposites 1980s PMN relaxor ceramics
• Ps 可用电滞回线仪,或通过热释 电流测得
• 一般, 铁电体, Ps = 0.1-100C/cm2 • BaTiO3 Ps ~ 25 C/cm2
ro+rTi = 1.96Å O-Ti = 2.005Å
• 热释电体 (Pyroelectrics): 具有自 发极化的晶体--极性晶 体
• 热释电效应: dPi = pi dT (i = 1,2,3)
• 离子位移极化, 101210-13s, 微波频段， I = a3
• 偶极子取向极化, = 02/3KT
• 空间电荷极化
• 自发极化：在某些极性晶体中, E ＝ 0 P，
• 如: 在钙钛矿结构中，自发极化 起因于[BO6]中中心离子的位移
• 极性点群: 1, 2, m, 2mm, 4, 4mm, 3, 3m, 6, 6mm
§1.1 铁电体的基本物理特性关系 各向同性的线性电介质, P = 0E, ---电介质的极化 率 D = 0E+P, 适用于各类电 介质 D = E, 适用于各向同性线 性电介质
电极化的微观机制
• 电子位移极化, 响应 时间10-1410-16s 可 见光频段, e a3
Ferroelectric films prepared by sol-gel techniques 1990s Strain-amplified actuators (Moonie devices, RAINBOW actuators)
The integrated ferroelectric ilms on silicon Relaxor single-crystal materials Giant electrostrictive relaxor ferroelectric copolymers
transducers • PTC effect PTC thermistors
Typical ferroelectric ceramics
• BT Barium titanate • PZT Lead zirconate titanate • PLZT Lead lanthanum zirconate titanate • PMN Lead magnesium niobate • PT Lead titanate • PZN Lead zinc niobate • PZST Lead stannate zirconate titanate • PZ Lead zirconate • BST Barium strontium titanate
• pi ----热释电系数, 单位: C/m2.K
• 大多数晶体的Ps随温度 的增加而下降,热释点 系数为负
• 在热释电体中, 高度极化状态, Ps 很高, 外场难以改变Ps方向
• 少数, 在 E 作用下 Ps 可重新定向----铁电体
• 铁电体 (Ferroelectrics) : Ps
•
E Ps 重行定向-----铁电体的最重要判
32 S y m m e try Point Groups
21 Noncentrosymmetric
11 Centrosymmetric (non-piezoelectric)
20 P ie z o e le c tric P o la riz e d u n d e r s tre s s
10 P y ro e le c tric S p o n ta n e o u s ly p o la riz e d
据------铁电体具有许多独特性质的主要原因
• 铁电体是热释电体的一个亚族
• 压电体 (Piezoelectrics) : 非对称中心
• 极性晶体一定不具对称中心
• Ferroelectrics < Pyroelectrics < Piezoelectrics < Dielectrics
Interrelationship of piezoelectric and subgroups on the basis of symmetry
S u b g ro u p F e rro e le c tric S p o n ta n e o u s ly p o la riz e d P o la riz a tio n re v e rs ib le
2 铁电体的分类
• 按结晶学分类
(a) 氢键晶体，如 KDP, RS 结构特征：[PO4]，软铁电体 (b) 双氧化物晶体，如 BT, PT, 结构特点：[TiO6], 硬铁电体