铁电压电
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。
压电和铁电材料
7.4 热电、压电和铁电材料根据固体材料对外电场作用的响应方式不同，我们可以把它们分成两类。
一类是导电材料，即超导体、导体、半导体和绝缘体，它们是以传导方式传递外界电场的作用和影响（可以是电子传导、空穴传导和离子传导）。
另一类固体材料则是以感应方式来传递外界电场的作用和影响，这类材料叫做介电材料或电介质材料。
电介质材料置于外电场作用下，电介质内部就会出现电极化，原来不带电的电介质，其内部和表面将受感应而产生一定的电荷。
电极化可以用极化强度P 表示（单位体积内感应的偶极矩），这种电极化可以分为电子极化、离子极化和取向极化。
有一类电介质即使无外电场的作用其内部也会出现极化，这种极化称为自发极化，它可用矢量来描述。
由于这种自发极化的出现，在晶体中形成了一个特殊的方向，具有这种特殊结构的电介质，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，形成电偶极矩，使整个晶体在该方向上呈现了极性，一端为正，一端为负，这个特殊方向称为特殊极性方向，在晶体学中通常称为极轴。
而具有特殊极性方向的电介质称为极性电介质。
晶体的许多性质，诸如介电、压电、热电和铁电性，以及与之相关的电致伸缩性质、非线性光学性质、电光性质、声光性质、光折变性质等，都是与其电极化性质相关的。
晶体在外电场作用下，引起电介质产生电极化的现象，称为晶体的介电性。
7.4.1热电材料1. 热电效应(1) 塞贝克(Seebeck)效应当两种不同金属接触时，它们之间会产生接触电位差。
如果两种不同金属形成一个回路时，两个接头的温度不同，则由于该两接头的接触电位不同，电路中会存在一个电动势，因而有电流通过。
电流与热流之间有交互作用存在，其温度梯度不但可以产生热流，还可以产生电流，这是一种热电效应，称为塞贝克效应，其所形成的电动势，称为塞贝克电动势。
塞贝克电动势的大小既与材料有关，也是温度差的函数。
在温度差∆T较小时，塞贝克电动势E AB与温度差呈线性关系，即E AB=S AB∆T，式中S AB为材料A和B的相对塞贝克系数。
铁电压电名词解释
高性能的铁电材料是一类具有广泛应用前景的功能材料,从目前的研究现状来看,对于具有高性能的铁电材料的研究和开发应用仍然处于发展阶段.研究者们选用不同的铁电材料进行研究,并不断探索制备工艺,只是到目前为止对于铁电材料的一些性能的研究还没有达到令任满意的地步.比如,用于制备铁电复合材料的陶瓷粉体和聚合物的种类还很单一,对其复合界面的理论研究也刚刚开始,铁电记忆器件抗疲劳特性的研究还有待发展.总之,铁电材料是一类具有广阔发展前景的重要功能材料,对于其特性的研究与应用还需要我们不断的研究与探索,并给予足够的重视.相对介电常数（relative dielectric constant）:介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，在相同的原电场中某一介质中的电容率与真空中的电容率的比值即为相对介电常数(permittivity)介电常数（dielectric constant / permittivity）:介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场（真空中）与最终介质中电场比值即为介电常数。
是表征电介质或绝缘材料电性能的一个重要数据，常用ε表示。
它是指在同一电容器中用同一物质为电介质和真空时的电容的比值，表示电介质在电场中贮存静电能的相对能力。
介电强度（dielectric strength）:是一种材料作为绝缘体时的电强度的量度. 它定义为试样被击穿时, 单位厚度承受的最大电压, 表示为伏特每单位厚度. 物质的介电强度越大, 它作为绝缘体的质量越好.电场强度（Electric field intensity）：放入电场中某点的电荷所受静电力F跟它的电荷量比值，叫做该点的电场强度。
牛(顿)每库(仑) 在国际单位制中，符号为N/C。
如果1C的电荷在电场中的某点受到的静电力是1N，这点的电场强度就是1N/C。
电场强度的另一单位是伏（特）每米，符号是V/m，它与牛每库相等，即1V/m=1N/C。
击穿强度（Breakdown strength）：储能密度(Energy storage density)：利用各种物质或各种手段，在一定的空间或质量物质中储存起来的可利用能量的量叫做储能密度.极化强度（intensity of polarization）：介电体单位体积内的电偶极矩的总和。
材料的压电性能和铁电性能比较
K2
通过逆压电效应得 转的 换机 所械压电效应转得换的所电能 转换时输入的总机械能
压电陶瓷振子（具有一定形状、大小和被覆工作电极的压电陶瓷 体）的机械能与其形状和振动模式有关，不同的振动模式将有相 应的机电耦合系数。
如对薄圆片径向伸缩模式的耦合系数为Kp（平面耦合系数）； 薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为K31（横向耦合系数）； 圆柱体轴向伸缩模式的耦合系数为K33（纵向耦合系数）等。
3高灵敏度、高可靠性的传感器 压电力敏、声敏、热敏、光敏、湿敏和气敏等传感器
材料的压电性能和铁电性能比较
第二节 热释电与铁电性能
一 自发极化及其微观机制 1自发极化 极化状态是在外电场为零时自发产生的 晶胞中正负电荷中心不重合，晶胞的固有偶极矩会沿 同一方向排列整齐，使晶体处于高度极化状态 具有自发极化的晶体必然是个带电体，其电场强度取 决于自发极化强度 2局部电场形成的基本原理 偶极子起源于电荷为q的一种A离子在晶格中的位移， 则极化起因于晶格中所有的A离子作相同的位移，对于 任何一个单个的A离子，即使无外场作用，也有来自周 围极化P所产生的局部电场 3热释电效应和压电效应 束缚在表面的自由电荷层有一部分可恢复自由释放出 来，使晶体呈现出带电状态或在闭合电路中产生电流
材料的压电性能和铁电性能比较
4、频率常数N
对某一压电振子，其谐振频率和振子振动方向长度的 乘积为一个常数，即频率常数。
其中：
N=fr×l
fr为压电振子的谐振频率；
l为压电振子振动方向的长度。
薄圆片径向振动
Np=fr×D
薄板厚度伸缩振动 Nt=fr×t
细长棒K33振动
N33=fr×l
薄板切变K15振动
2 介质损耗 表征介电发热导致的能量损耗 3 弹性系数 压电体是一个弹性体，服从虎克定律 4 压电常数 机械能转变为电能或电能转变为机械能的转换系数 5 机械品质因数 表征谐振时因克服内摩擦而消耗的能量 6 机电耦合系数 表征机械能与电能相互转换能力
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
铁电催化研究主要关注铁电材料在催化反应中的应用。
铁电材料是一类具有铁电性质的材料，可以通过外加电场来改变其结构和性质。
铁电材料具有许多特殊的性质，如高电极化强度、快速反应速度等，使其在催化领域具有很大的潜力。
压电催化研究关注压电材料在催化反应中的应用。
压电材料是一类具有压电效应的材料，可以通过外加压力来改变其形状和性质。
压电材料具有良好的机械性能和灵活性，可以用于设计和调控催化反应中的活性位点和反应途径，提高催化效率和选择性。
热电催化研究关注热电材料在催化反应中的应用。
热电材料是一类具有热电效应的材料，可以将热能转化为电能或反之。
热电材料具有优异的热电性能，可以用于催化反应中的能量转换和催化剂的自供能。
热电催化研究旨在利用热电材料的热电效应，提高催化反应的能量利用率和催化效率。
以上三种纳米材料的催化研究，主要关注如何利用纳米尺寸效应和特殊性质改变催化反应的动力学和热力学过程，以实现更高效、更可控和更环保的催化反应。
这些研究在能源转化、环境保护、化学合成等领域具有重要的应用前景。
铁电压电物理报告
铁电压电物理报告1. 引言铁电材料是一类具有独特电学性质的材料，在电子器件、储能系统等领域具有广泛的应用前景。
铁电材料的压电和电致伸缩效应是其重要的性质之一，能够通过外界施加的电压产生结构变化，从而实现电-力（压电效应）和力-电（压电效应）的相互转化。
在本文中，我们将讨论铁电压电物理的基本原理、材料特性以及应用前景。
2. 铁电压电物理的基本原理铁电压电物理的基本原理可以通过铁电性质的描述来理解。
铁电材料的晶体结构通常呈现出非中心对称结构，具有没有中心反演对称性的特点。
这种非中心对称结构导致了铁电材料的铁电极化性质。
铁电极化是指材料中正负电荷中心的分离，产生微观的电偶极矩。
铁电材料的压电效应和电致伸缩效应是由于铁电极化可被外界施加的电场和应力所调控。
当外界施加电场时，其电场会对铁电材料中的电偶极矩进行重新定向，从而导致晶格发生微小的位移。
相反地，当外界施加应力时，晶格的变形也会引起内生的电场。
这种相互转化的过程即为压电效应和电致伸缩效应。
3. 铁电压电材料的特性铁电压电材料具有多种特性，使其在应用中得到广泛关注。
以下是铁电压电材料的一些重要特性：3.1 铁电畴和相变铁电材料在不同的温度和电场下，会出现不同的结构相。
在高温下，铁电材料会呈现无序的结构，称为顺电相；而在低温下，会形成有序的结构，称为铁电畴。
铁电畴是铁电材料中一种有序排列的电偶极域，具有不同的方向。
3.2 铁电耦合效应铁电压电材料具有铁电极化和其他物理性质之间的耦合效应。
例如，铁电材料的铁电极化可以通过施加电场和应力来调控。
此外，铁电材料还可以呈现出磁电耦合、催化性能等多种交叉耦合效应，为其在多种器件应用中提供了灵活性和多样性。
3.3 铁电材料的记忆效应铁电材料具有记忆效应，即保持其特定的铁电极化状态。
这种记忆效应使铁电材料具有可编程性和可重写性等优势，在存储器件和传感器等领域具有重要应用价值。
4. 铁电压电材料的应用前景铁电压电材料在电子器件、传感器、存储器件等领域具有广阔的应用前景。
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
电介质材料(压电和铁电材料)
压电陶瓷材料Байду номын сангаас
锆钛酸铅系(PZT)陶瓷, 其化学式为Pb(Zrx, Ti1-x)O3, 是钙 钛矿结构的二元系固溶体，晶胞中B位置可以是Zr4+, 也可以 是Ti4+。居里点随锆钛比变化。根据器件的要求，可以选择 不同的锆钛比。 然而，锆钛酸铅系陶瓷在制备和使用过程中，都会给环 境和人类健康带来很大的损害。近年来，随着环境保护和人 类社会可持续发展的需求，研发新型环境友好的压电陶瓷已 成为世界各国致力研发的热点材料之一。2001年欧州议会通 过了关于"电器和电子设备中限制有害物质"的法令，并定于 2008年实施。其中在被限制使用的物质中就包括含铅的压电 器件。为此，欧洲共同体立项151万欧元进行关于无铅压电 陶瓷的研究与开发。美国和日本以及我国电子信息产业部也 相继通过了类似的法令，并逐年提高对研制无铅压电陶瓷项 目的支持力度。对新型无铅压电陶瓷的研究和开发也同样受 到了国内科技界与企业界的普遍关注。
小资料：最新的无铅压电材料 任晓兵博士在其论文中提出一种不同于上述机制的全 新原理，该原理利用铁电体在90度畴翻转时产生巨大变形 这一特性，并利用时效点缺陷的对称性性质而产生可回复 的应变(该性质亦为任晓兵博士所发现，X. Ren and K.， Otsuka, 《Nature》, 1997)。任晓兵博士认为，存在点缺陷 的情况下，电畴在电场作用下发生翻转，当电场解除时， 在点缺陷的影响下，畴将回到原来的取向。在200V/mm的 电压下可产生0.75%的巨大可逆变形，是相同电压下PZT形 变量的37.5倍。 值得注意的是，产生这一巨大电致应变的材料为钛酸 钡基材料，这为开发对环境无害的高性能电致应变材料提 供了重要新途径。此项成果发表后，立即引起国际学术界 和工业界的强烈反响。
铁电体的三个基本特征
铁电体的三个基本特征
铁电体是一种特殊的晶体材料，具有三个基本特征：铁电性、压电性和热释电性。
铁电性是铁电体最为显著的特征之一。
铁电体在外加电场的作用下，会出现极化现象，即在晶体内部会出现正负电荷分离的现象，形成电偶极矩。
这种极化是可逆的，即当外加电场消失时，电偶极矩也会消失。
铁电体还具有压电性。
当外力作用于铁电体时，晶体会发生形变，产生电荷分离，形成电偶极矩，从而产生电势差。
这种现象被称为压电效应。
压电效应是铁电体在传感器、振动器等领域中的重要应用。
铁电体还具有热释电性。
当铁电体受到温度变化时，晶体内部的电偶极矩也会发生变化，从而产生电势差。
这种现象被称为热释电效应。
热释电效应是铁电体在红外线探测器、温度传感器等领域中的重要应用。
铁电体具有铁电性、压电性和热释电性三个基本特征。
这些特征使得铁电体在电子器件、传感器、振动器等领域中有着广泛的应用前景。
铁电体、热释电体、压电体和介电体及其之间的关系
铁电体、热释电体、压电体和介电体及其之间的关系
铁电体、热释电体、压电体和介电体都是电子材料种类之一，它们在电子领域和工业
领域中有着广泛的应用，是电子材料中的重要种类。
下面我们来了解一下这些电子材料之
间的关系。
铁电体：铁电体是具有铁电性的晶体材料，铁电性是材料自身结构的一个特性，即当
材料暴露在电场中时，会发生电偶极矩的取向变化。
这个特性使得铁电体在电子产品中有
非常广泛的应用，比如它可以用作电容器、震荡器、传感器、存储器等，这些器件在电子
产品中起到重要的作用。
热释电体：热释电体是一种能够将温度变化转化为电能的材料，也叫做热电材料。
热
释电体使用的原理是通过热电效应将热能转化为电能，这个效应是指材料在温度差异作用
下会产生电势差。
热释电体具有良好的稳定性和性能，可以应用于如温度测量、温差发电、制冷等领域。
介电体：介电体是一种在电场作用下不会导电的材料，介电体在电子器件中有广泛的
应用，比如用作电容器、滤波器、隔离器、保险丝等。
由于介电体具有较高的绝缘性能，
它可以防止电信号的干扰和噪声，可以使电子器件的性能更加稳定。
尽管以上这些电子材料在应用领域不同，但它们之间有着一些共同的特性，比如它们
都是晶体材料，都可以产生电势差并转化为电能，它们都可以在电子领域中应用，有着一
定的互相联系。
当然，它们也存在一些区别，这主要体现在各自使用效应的不同点上。
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BNT基无铅压电陶瓷掺杂改性
• 近年来无铅压电陶瓷得到了很大发展，其 中BNT基无铅压电陶瓷以其铁电性强、压 电常数较大等优点获得广大学者的青睐。 BNT基无铅压电陶瓷掺杂改性一般有：A位 掺杂取代，B位掺杂取代，A、B双位复合取 代。
• A位掺杂取代的研究： • A位掺杂是备受学者关注的研究方法之一， 通过有关学者研究结果可知，对BNT进行 适当的A位掺杂形成A位取代的固溶体时， 其压电性能会有较大幅度的提高。 • B位掺杂取代的研究： • A、B位复合取代的研究：
无铅压电陶瓷的研究进展
徐阳
压电陶瓷
• 目前市场上大规模使用的压电陶瓷材料体 系主要是铅基压电陶瓷，即P b T iO P b Z rO P 、 bT iO 3 -P bZ rO 3 -A B O 3 ( A B O 3 为复合钙 钛矿型铁电体)及 P b T iO 3 系等压电陶瓷。 • 其主要成分是氧化铅(高达60％～70 %以上)， 由于氧化铅是一种有毒物质，对人体及环 境有多种危害。因此发展无铅压电陶瓷是 一项紧迫且具有重大实用意义的课题。
发展展望
• 通过大量的研究，BNT基无铅压电陶瓷被誉为 是最有可能取代铅基压电陶瓷的材料之一，然 而目前BNT基无铅压电陶瓷相比于铅基压电陶 瓷在压电性能上还有很大差距，其应用还不广 泛。BNT基无铅压电陶瓷掺杂改性的研究空间 还很宽广。对BNT基无铅压电陶瓷的掺杂改性 的研究还需要在现有基础上深入研究A位和B 位离子取代的理论，搞清楚取代原子的化学特 征对陶瓷微观结构和性能的影响。更应加大对 三元或多组元与BNT形成的固溶体的研究，从 而达到最佳改性的目的。多组分的A、B位复 合取代研究将成为学者们的研究重点。
自上世纪60年代初期，人们开始意识到研发无铅压 陶瓷的重要性以来，无铅压电陶瓷的发展已经历近 半个世纪。世界各国高度重视这方面的研究，大量 的研究结果表明，无铅压电陶瓷的发展趋势主要有 三个方面： ⑴开发新的无铅压电陶瓷体系； ⑵对现有的无铅压电陶瓷体系作进一步的掺杂改 性和A、B位取代的基础理论研究，选择合适的改性 剂，优化材料的压电性能； ⑶开发新型无铅压电陶瓷制备技术，使陶瓷的微观 结构呈现一定的单晶体特征也是提高现有无铅压电 陶瓷体系性能的一条重要途径之一。
3 3
无铅压电陶瓷
• 日本东芝公司Yamashita博士2003年在上海无 铅压电材料国际研讨会上报告中，将压电 陶瓷应用分为3类，即高端应用，中端应用 和低端应用。 • 从20世纪60年代起，科研人员就开始了以铌 酸盐和钛酸盐为主的钙钛矿结构无铅压电 陶瓷的研究。迄今为止，无铅压电陶瓷主 要有以下几种体系： aT iO 3 基、铋层状结构、 B 铌酸盐系、含铋钙钛矿型压电陶瓷
• 软性添加物的掺杂机理：
“软性”添加物的加入使得陶瓷的弹性柔顺系数提 高，矫顽场、ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 降低，介电常数、介电损耗增大， 时间稳定性变好，这类添加物主要有La、Nd、Th、 Nb、Ta、Sb等
• 硬性添加物的掺杂机理：
“硬性”添加物包括进入A 位的K及进入B位的Fe、 Co、Mn、Ni、Mg、A1、Sc等，其作用机理恰好 与“软性”添加物相反，“硬性”添加物的加入 使得陶瓷的介质损耗、介电常数降低，矫顽场增 大，Q 提高
参考文献
• 无铅压电陶瓷材料的研究现状 吴思华、王 平、付鹏 • B N T基无铅压电陶瓷掺杂改性的研究现状 及发展趋势 王伟、付鹏、陈倩、刘振强
研究进展
• 现阶段无铅压电陶瓷的研究进展主要包括 两个方面：制备工艺方法的改进及掺杂性 能的改进。
掺杂改性
• 压电陶瓷的掺杂改性即将与基体中某离子 半径相差不大的元素掺杂入陶瓷中，从而 部分取代陶瓷的某位离子形成固溶体，进 而影响压电陶瓷的性能。掺杂改性中根据 添加物对性能的影响将其分为“软性”添 加物和“硬性”添加物。
制备工艺方法的研究进展
• 传统制备方法：固相合成 • 新型制备方法：晶粒定向生长（包括热处 理技术、模板晶粒生长法、反应模板生长 法、多层晶粒生长法、定向凝固法） 等离 子烧结 压电厚膜 定向沉淀法 软溶液制备 技术（又包括水热法、溶胶凝胶法、共沉 淀法）
溶胶凝胶
• 1846年法国化学家J.J.Ebelmen用SiCl4与乙醇混 合后，发现在湿空气中发生水解并形成了凝胶。 • 20世纪30年代W.Geffcken证实用金属醇盐的水 解和凝胶化可以制备氧化物薄膜。 • 1971年德国H.Dislich报道了通过金属醇盐水解 制备了SiO2-B2O-Al2O3-Na2O-K2O多组分玻璃。 • 1975年B.E.Yoldas和M.Yamane制得整块陶瓷材 料及多孔透明氧化铝薄膜。 • 80年代以来，在玻璃、氧化物涂层、功能陶瓷 粉料以及传统方法难以制得的复合氧化物材料 得到成功应用。