介电和铁电材料
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。
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。
电介质材料(压电与铁电材料1)
Guangdong Ocean University
Xiong Zhengye
当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电 容C0，它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关，一般约几 个PF到几十PF。当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L来 等效。一般L的值为几十mH到几百mH。晶片的弹性可用电容 C来等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1pF。晶片振动时 因摩擦而造成的损耗用R来等效，它的数值约为100Ω。由于晶 片的等效电感很大，而C很小，R也小，因此回路的品质因数Q 很大，可达1000～10000。加上晶片本身的谐振频率基本上只 与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确， 因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。
Guangdong Ocean University
Xiong Zhengye
从石英晶体谐振器的等效电 路可知，它有两个谐振频率， 即（1）当L、C、R支路发 生串联谐振时，它的等效阻 抗最小（等于R）。串联揩 振频率用fs表示，石英晶体 对于串联揩振频率fs呈纯阻 性，（2）当频率高于fs时L、 C、R支路呈感性，可与电 容C0发生并联谐振，其并联 频率用fd表示。 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye
Guangdong Ocean University Xiong Zhengye
（4 ） 机械耦合系数：在压电效应中 , 其值等于转 换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能） 之比的平方根 ; 它是衡量压电材料机电能量转换 效率的一个重要参数。
（ 5 ） 电阻：压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏 , 从而改善压电传感器的低频特性。 （ 6 ） 居里点：压电材料开始丧失压电特性的温度 称为居里点。 （7）机械品质因数：压电振子在谐振时在一周期内 贮存的机械能与损耗的机械能之比。
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。
铁电／铁磁复合材料的介电、铁电性能研究
ｈ ｄ ｂ ｅ ｔ ｄ ｅ ． ｅ Ｃ ｒｅｔ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｓａ ｏ ｔ ０ 。 ｔ ｏ ｔａ ｙ ｃ ａ ｇ ｔ ｌ ｓ ｕ ｉｄ ｆ ｅ ｕ ｎ ｉｓ Ｔｈ ｈ ｓ ａ ｅ ｎ ｓ ｕ ｉｄ Ｔｈ ｕ ｉ ｅ ｅ ａ ｕ ｅｗａ ｂ ｕ ９ Ｃ ｗｉｈ ｕ ｎ ｈ ｎ ｅ ａ ｌ ｔ ｄ ｅ ｒｑ ｅ ｃｅ ． ３ ａ ｅｐ ａ ｅ
铁 电／ 磁 复 合 材 料 的 介 电 、 电性 能 研 究 铁 铁
陈江丽， 徐 卓 ， 王斌 科
（ 西安 交 通 大 学 电 子 材料 与 器 件 研究 所 ， 西 西 安 ７０ ４ ） 陕 １０ ９
摘
要 ： 用传 统 的 固相烧 结工 艺 制 备 了铁 电／ 磁 复 合 材 料 ， 分 为 （ 一 ＮｉｅＯ ＋ ｘ ｂ ｒ 。 Ｏ （ 采 铁 组 １ ） Ｆ Ｐ Ｚ。 Ｔｉ 。 其
究 表 明 ， 变 温度 约为 ３ ０ Ｃ， 不 随频 率 变 化 ， 铁 电 到顺 电 的相 变 。电滞 回线 呈 束 腰 特 征 ， 余 极 化 强 度 较 小 ， 相 ９ 且 是 剩
随 铁 电体 含量 的增 加 剩余 极 化 强 度 增 大 ， 电 性 加强 。 铁 关键 词 ： 电／ 磁 复合 材 料 ； ｂ ｒ Ｔ Ｏ ； ｉ ｅＯ ； 电 ； 电 铁 铁 Ｐ Ｚ ２ ｉ 。 ＮＦ 介 铁
Ａｂ ｔａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ａ ｒ ｕｐ ｏ ｅ ｒ ｅ ｅ ｔ ｉ ｄ ｆ ｒｉｅｃ ｍ ｐｏ ｉｅ ｔ ห้องสมุดไป่ตู้ ｍ ｐ ｉｉｎ （ ｇ ｏ ｆｆ ｒ ｏ ｌ ｃｒｃａｎ ｅ ｒｔ ｏ ｓｔ ｓ ｗｉｈ ｏ ｏｓｔｏ １一 ） ｉ ２ Ｎ Ｆｅ ０４＋ ｘＰｂ ０５ Ｔｉ ４ Ｚｒ ２ ０ ８ Ｏ３ （ ｗｈｅ ｅｚ ＝ ０ ５， ６， ．７， ８） ｗａ ｒ ｐａ ｅ ｈｅｓ ａ ｄａ ｄ ｃ ｒ ｍ ｉ ｅ ｃ ｉｎ ｍ ｅ ｈｏ ＸＲＤ ｎ ＥＭ ｅ ａ ｅ ｅ — ｒ ． ０． ０ ０． ｓ ｐ ｅ ｒ ｄ ｂｙ ｔ ｔ ｎ ｒ ｅ ａ ｃ ｒ ａ ｔｏ ｔ ｄ． ａｄＳ ｒ ｖｅ ｌｄ ａｆ ｒ
介电材料最终版
1.2 电极化现象
a . 电子极化
介电材料本身不荷电荷，但 将其置于电场中，在其体积内部和 表面会感应出一定量的电荷。这种 现象称作电极化现象。这种极化现 象可以分为4类，如右图所示。 电子极化：任何材料都是由原 子和分子或离子构成的。原子可以 看作是由荷正电荷原子实和其外荷 负电的电子云所构成的。无电场时， 原子时的正电重心和电子云的负电 重心是重合在一起的。在电场存在 时，正电重心和负电重心发生轻微 错位，形成的极化称作电子极化。
一、介电材料
——顾文斌
介电材料
电介质功能材料
铁电材料 压电材料 敏感电介质材料
电 功 能 材 料
电导体功能材料
导电材料 快离子导体 电阻材料 超导电体
一、介电材料
通常所说的电现象都是以材料中存在的电子、离子和空穴等载流子在 电场作用下产生长程迁移而形成的。与此不同，存在另一类材料，即 所谓的介电材料，它们是绝缘体，并不存在其中载流子在电场作用下 的长程迁移，但仍然有电现象。这种电现象的产生，是因为材料中也 存在荷电粒子，尽管这些荷电粒子被束缚在固定的位置上，但可以发 生微小移动。这种微小移动起因于材料中束缚的电荷，在电场作用下， 正负束缚的电荷重心不再重合，从而引起电极化，如此将电荷作用传 递开来。
按电容器方程(C=εS/4πkd )，很明显，只剩一个 参数来调整，那就是介电常数。所以开发大介电常数 材料，使电容器电介质可维持其“坚固”的厚度，又 能提供有效的电荷存储，仅管其面积和存储电压在继 续下降。 低介电常数材料或称low-K材料 通过降低集成电路中使用介电材料的介电常数，可 以降低集成电路的漏电电流及寄生电容。 传统半导体 使用二氧化硅作为介电材料，二氧化硅的介电常数约 为4 。
P 静态介电常数与极化强度P的关系为： 0 E
固体物理学基础晶体的介电性质与铁电效应
固体物理学基础晶体的介电性质与铁电效应晶体是由大量有序排列的原子或分子构成的固体物质。
在固体物理学中，晶体的电性质是研究的重要课题之一。
晶体的介电性质与铁电效应是晶体电性质中的两个关键概念。
本文将重点介绍晶体的介电性质、铁电效应以及二者之间的关系。
介电性质在晶体物理学中具有重要意义。
晶体的介电性质是指晶体在外加电场下发生的电极化现象。
当外加电场作用于晶体时，晶体内部的正负电荷会发生重新排列，导致晶体整体出现电偶极矩。
这种电偶极矩的形成使得晶体在外加电场下具有良好的电响应能力。
介电响应的强度由介电常数来描述。
介电常数是一个描述晶体相对电容性能的物理量，可以表示为介电常数ε等于位移电流密度ε与电场强度ε之比。
介电常数的大小和晶体内部的电荷分布和极化有关。
在晶体中，介电常数是与频率、温度和晶体结构等因素密切相关的。
根据晶格结构和晶体的电极化情况，晶体的介电常数可以被分为几个不同的类型。
其中，铁电性是介电性质的重要表现形式之一。
铁电性是指晶体在外加电场下可以出现自发电偶极矩，即铁电极化现象。
与介电性质不同的是，铁电性不仅在外加电场下发生电极化，而且在去除外加电场后，晶体仍然保持电偶极矩。
这种自发电偶极矩的存在提供了晶体独特的电性质，铁电材料在领域中具有重要的应用潜力。
铁电效应是铁电性质的一种特殊表现形式。
铁电效应是指晶体在外加电场下的铁电极化现象。
晶体的铁电效应可以通过改变温度、压力或外加电场来控制。
该效应的特点是当外加电场超过一定阈值时，晶体会发生自发电极化。
通过改变外加电场的方向和大小，可以控制晶体的铁电极化方向和强度。
铁电效应具有广泛的应用，尤其在电子器件领域。
铁电效应可以用于制作高密度存储器件、传感器和压电器件等。
铁电材料的独特电性质使得它在信息存储、能量转换和传感器技术等方面具有重大意义。
总结起来，固体物理学中的介电性质与铁电效应是研究晶体电性质的重要课题。
介电性质描述了晶体在外加电场下的电响应能力，其中铁电性是介电性质的一种特殊表现形式。
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+ 压电体必须是离子晶体或离子团组成的分子
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第六节 压电材料-3
三、压电材料主要工程参数
1、机械品质因素
压电振子：具有一定取向和形状的压电晶片具有固有的机械谐振频率。 当外电场的频率与其一致时，由于逆压电效应会产生机械谐振。这种 晶片称压电振子。
压电振子在谐振子时，会产生内耗，造成机械能损失，反映这种机械能损 耗程度的参数为机械品质因数Qm，定义为：
73
21
30
10
G压a电Sb陶等瓷：BaTiO3, PbTiO3
第3页/共33页第六节 压 Nhomakorabea材料-5
五、压电材料的应用举例
1、水声换能器 水中声纳=空中雷达 实现水中电能与声能的相互转化
2、压电超声换能器
利用逆压电效应，在高强度电场下产生高强度超声波，用 于超声清洗、超声乳化、超声粉碎、超声治疗等
二、热释电效应机制
电气石中发现：硫磺粉末（黄色）和 氧化铅粉末（红色）混合，用丝质筛 子筛洒加热后的电气石，它们将分别 覆盖于电气石沿三次轴方向的两端。
电气石是一种具有固有极化的晶体
温度引起的自发极化的改变。自发极化的改变来自于离子的位移
ps T
为热释电系数；P
为自发极化强度；T
s
为温度
晶体中存在热释电效应的前提
具 有 自 发 极 化 ， 即 晶 体 结 构 的 某些方向正负电荷重心不重合。
不 存 在 对 称 中 心 ， 且 存 在 与 其
他极化轴不同的唯一极化轴
石英晶体不产生热释电效应示意图
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第七节 热释电材料-2
三、热释电材料
1、晶体 热释电晶体：CaS, CaSe, Li2SO4·H2O, ZnO
QP AB It QP称为珀尔贴热 ；AB 为材料A与材料B的相对珀尔贴系数
珀尔贴热QP与焦耳热QJ的区分： （QP+QJ）- （-QP+QJ）=2QP （QP+QJ）+（-QP+QJ）=2QJ
QP+QJ
-QP+QJ
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第八节 热电材料-5
3、汤姆逊（Thomson）效应 具有温度梯度的一段均匀导体通过电流时，会产生吸热和放热现象
3、压电点火器
压电晶体受到外力作用后，在电极面上会感应出电荷，电荷聚集形 成高电。 利用高压可产生火花放电。这种电火花可用于点燃煤气、 炮弹，及用于压电高压发生器。
4、石英电子表
其他：拾音器、蜂鸣器、 流量计、计数器等
第4页/共33页
第七节 热释电材料-1
一、热释电效应 晶体因温度变化而引起晶体表 面电荷的现象称为热释电效应
通过测量讯号电压的变化实现了对远距离热辐射目标温度变化的测量。
尽第你7页所/共能3，3页想出或查出检测极化电荷分布的方式
第八节 热电材料-1
热电材料：把热能转变为电能的材料 一、热电效应
1、塞贝克（Seebeck）效应
两种不同的导体构成闭合回路，若使其 结点出现温度差，则闭合回路中就会有 电流流动，此现象为热电效应，相应的 电势称为热电势。
Qm
2
Wm Wm
Wm为每振动周期内单位体积存贮的机械能；△W为每振动周期内单位体 积损耗的机械能
Qm与振动模式有关，如压电振子的形状、振动的晶体学方向、振动频率等
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第六节 压电材料-4
2、机电耦合系数 机械能转变的电能
k 输入的机械能
(正压电效应)
或
转化的机械能 k 静电场下输入的电能
特点：自发极化不能为外电场转向 铁电晶体：LiNbO3, LiTaO3, PhTiO3, Pb(ZnTi)O3, BaTiO3等
特点：自发极化能为外电场转向
2、 有机高聚物晶体
例：聚偏二氟乙烯PVDF，大面积制作，工艺简单，一般用薄 膜 四、热释电材料的应用
1938年首先用于红外探测器
第6页/共33页
030923
第七节 热释电材料-3
红外探测器原理：
Q表示晶体表面的电荷面密 度，P为自发极化强度，T为 温度，则
dQ dP dt dt
设两极板面积为A，负载电 阻为R，则热释电电压为：
热释电红外探测器原理
V
Ri
R
d ( AQ ) dt
AR
dP dt
AR
dP dT
dT dt
ARPi
dT dt
Pi为晶体的热释电系数。一般材料为10-4~10-6C/(cm2·K)
例：若T1>T2, 电流逆时针流 动；反之，顺时针流动
若温度差较大，一般有：
V aT bT 2 cT 3
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第八节 热电材料-4
2、珀尔贴（Peltier）效应 两种材料的接触点通以电流时，会产生吸热或放热现象。
基本规律：
•电流反向时，吸热或放热特性也改变； •单位时间内产生的热量与通过的电流成正比：
T0
第8页/共33页
第八节 热电材料-2
基本规律： 均质导体定律：要确定热电势的大小必须保证A、B两种材料的化学成 分和物理状态完全均匀，否则将要难以获得确定的热电势 中间导体定律：如果在回路中引入第三种金属导体，那么只要第三种 金属接入的两端温度相同，则对原回路年产生的热电势不发生影响 中间温度定律：只要两种材料厂均质，两端温度恒定，即使回路中某 一部分处于任何其他温度，原回路产生的热电势不变 定量描述： 规定：冷端电流流出的材料的电势相对于流入的材料的电势为正。 即，若T1＜T2时，电流由a点流向b点，称A的电势φA大于B的电势φB。 设△VAB=φA-φB； △T=T2-T1，则实验证明，△T不太大时，有
△VAB 与∝△T
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第八节 热电材料-3
定义相对塞贝克系数SAB=SA-SB ： 则：△VAB=SAB·△T
S AB
lim Vab T 0 T
称SA和SB分别为材料A和B的塞贝克系数
一些元素的热电势排序（前者热电势相对于后者为正）：
Si, Sb, Fe, Mo, Cd, W, Au, Ag, Zn, Rh, Ir, Tl, Cs, Ta, Sn, Pb, Mg, Al, Hg, Pt, Nd, Pd, K, Ni, Co, Bi
(逆压电效应)
科研和工程中最重要的参数，有的材料可达70%以上
四、压电材料种类
晶体：石英、铌酸锂(LiNbO3)、 材料 碘酸锂等
罗息盐 钛酸钡 PZT 水晶
介电常数 350
1700 1200 4.5
半 导 体 ： CdS, CdSe, ZnO, ZnS, ZnTe, ZdTe, GaAs,
机电耦合系 数/%