铁电材料及其应用34页PPT
铁电材料的应用及其机制研究
铁电材料的应用及其机制研究铁电材料是一类具有独特电学性质的材料，具有晶体对称性中心的铁电晶体，在外电场或机械应力作用下可以发生电极化，在电场消失时仍能保持电极化状态，具有永久电性。
铁电材料的广泛应用已经成为了当前材料学及电子学领域的研究热点。
一、铁电材料的应用铁电材料的使用范围非常广阔，从蓝牙无线耳机到高端军事夜视设备，都有着铁电材料的身影。
1. 贝壳层材料目前大多数识别在商业上使用的贝壳层材料皆使用铁电材料，贝壳层材料是指碳纳米管包裹的，长有刺状物业的材料。
铁电材料由于其独特的电学性质，在贝壳层材料中起到了响应电子的作用，从而实现了一类电子描述在管道内穿行行为的有力工具。
2. 人机界面技术机器人、电脑软件和科幻电影中的交互方式一样，都需要一个理想的人机界面。
铁电材料结合触摸屏技术实现了最热门交互方式。
基于铁电材料的触摸屏排除了若干传统触摸屏的弱点，如传统的电容触屏大大受到皮肤的影响，而铁电材料在触摸的时候一般不会受到肤色亮度、湿度的影响。
3. 地下探测器铁电材料在分析地下管道以及检查铁路、公路、电力线、建筑物和其他类似物质的压力探测器方面发挥了重大作用。
铁电材料通过先进的轻质探测器，快速地检测压力，并将其传播到软件系统，以确定任何变化，使得在地下是察觉到缺陷的地下管道的检测变得更加容易。
4. 高密度储存介质铁电材料的高密度储存中最具代表性的是最早的DVD光盘，铁电材料是通过储存功能的储存介质硬度、密度和稳定性而实现的。
铁电材料的原型成为了DVD等高清储存介质，让我们在家中就可以享受一些高清大片了。
二、铁电材料的机制研究铁电材料的研究，主要包括铁电性质，材料的合成及其性质、其它学科的各种经验相关性，和铁电材料的应用。
铁电材料工作机制是铁电学的一部分，铁电学是研究铁电材料的产生、发展和应用的学科。
以下是铁电材料的机制研究几个方面：1. 基础知识铁电材料主要是由离子化合物组成的晶体，同时铁电性的主要施加在晶体中心点与化合物能量的比较中。
铁电材料
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自发极化
❖ 在没有外电场作用时，晶 体中存在着由于电偶极子 的有序排列而产生的极化 ，称为自发极化。
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
电滞回线 hysteresis loop
铁电体的定义
❖ 铁电体的定义：指在温度范围内具有自发极 化且极化强度可以因外电场而反向的晶体。
❖ 铁电体具有很多电畴且具有电滞回线。因此， 凡具有电畴和电滞回线的介电材料就称为铁 电体。
❖ 铁电体的晶体并不含有铁，铁电体常被称为 息格毁特晶体。
铁电体的主要特征值
1. 自发极化 2. 电 畴 3. 电滞回线 4. 居里温度 5. 介电反常
❖ 居里温度Tc是铁电相与顺电相的相转变温度， 当T>Tc时，铁电现象消失，处于顺电相。当 T<Tc时，铁电体处于铁电相，当T=Tc时发生 相变。铁电相是极化有序状态，顺电相则是极 化无序状态。而Tc称为居里点。
介电反常
❖ 在弱电场作用下铁电体的介电性能 可用各向异性介电常数ε来描述。ε可 分为两个部分：其中一部分由各个畴 的介电性能提供，这部分直到远红外 频率都不依赖于外电场的强度和频率 。另一部分与外电场作用下电畴结构 的变化有关，它强烈地依赖于电场强 度、频率和晶体的温度，而且与加外 电场时电畴的原始结构有关。对于单 轴铁电单晶体例如RS和KH2PO4， 在垂直于铁电轴方向的介电常数ε随温 度的变化并不十分显著；平行于铁电 轴方向的介电常数ε则随温度变化很大 ，在居里点附近其相对值可迅速增大 至104～105数量级；这种现象称为" 介电反常"。
铁电材料PPT幻灯片课件
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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。
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FeRAM器件结构
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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
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ABO3型钙钛矿晶胞结构
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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。
铁电材料应用
铁电材料应用
铁电材料是一类具有铁电性质的材料，它们在电子、通讯、储能等领域具有广
泛的应用前景。
铁电材料的应用可以追溯到上个世纪，随着材料科学的发展，铁电材料的性能不断得到提高，其应用领域也不断扩大。
本文将介绍铁电材料的基本特性及其在各个领域的应用情况。
首先，铁电材料具有良好的铁电性能，能够在外加电场作用下产生极化现象。
这种性质使得铁电材料在电子器件中具有重要的应用价值。
例如，铁电存储器利用铁电材料的极化特性来存储信息，具有高密度、低功耗、快速读写等优点，被广泛应用于数字产品、计算机等领域。
其次，铁电材料在通讯领域也有着重要的应用。
由于铁电材料具有良好的介电
性能和压电性能，可以用于制备微波器件、声表面波器件等，用于无线通讯、雷达、导航等系统中，能够提高系统的性能和稳定性。
此外，铁电材料还在能源领域有着广泛的应用。
铁电材料可以用于制备电容器、电池、传感器等器件，利用其压电、介电、铁电性能来实现能量的转换、存储和传感，为新能源、节能环保领域提供了重要的支持。
总的来说，铁电材料具有独特的物理性能，其在电子、通讯、能源等领域的应
用前景广阔。
随着材料科学的不断发展，铁电材料的性能将得到进一步提高，其应用领域也将不断拓展。
相信在不久的将来，铁电材料将会在更多的领域发挥重要作用，为人类社会的发展做出更大的贡献。
介电和铁电基础及应用汇总.ppt.
居里-外斯定律Curie-Weiss law
当温度高于居里点时，铁电体的介电常数与 温度的关系服从居里-外斯定律：
C 0
式中：C为居里-外斯常数；为绝对温度； 0为顺电居里温度，或称居里-外斯温度。
几种典型铁电体的性质
BaTiO3，钛酸钡 KDP，磷酸二氢钾 KH2PO4 TGS，三甘氨酸硫酸盐，(NH2CH2COOH)3 H2SO4 RS，酒石酸钾钠（罗息盐）NaKC4H4O64H2O
主要特征
电滞回线hysteresis loop 居里温度Curie temperature Tc
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
Sawyer-Tower 电路
电滞回线表明，铁电体的极化强度与外电场 之间呈现非线性关系，而且极化强度随外电 场反向而反向。 极化强度反向是电畴反转的结果，所以电滞 回线表明铁电体中存在电畴。 所谓电畴就是铁电体中自发极化方向一致的 小区域，电畴与电畴之间的边界称为畴壁。 铁电晶体通常多电畴体，每个电畴中的自发 极化具有相同的方向，不同电畴中自发极化 强度的取向间存在着简单的关系。
介电反常：临界特征
铁电体的介电性质、弹性性质、光学性质和 热学性质等在居里点附近都要出现反常现象， 其中研究的最充分的是“介电反常”。因为 铁电体的介电性质是非线性的，介电常数随 外加电场的大小而变，所以一般用电滞回线 中在原点附近的斜率来代表铁电体的介电常 数，实际测量介电常数时外加电场很小。大 多数铁电体的介电常数在居里点附近具有很 大的数值，其数量级可达，104-105，此即铁 电体在临界温度的“介电反常”。
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自 发 极 化
在没有外电场作用时，晶 体中存在着由于电偶极子 的有序排列而产生的极化 ，称为自发极化。
1、 电畴
ferroelectric domain
铁电体内自发极化相同的小区域称为电畴，～10μm； 铁电体内自发极化相同的小区域称为电畴，～10μm； 电畴，～10μm 电畴与电畴之间的交界称为畴壁 电畴与电畴之间的交界称为畴壁 两种： 两种：90 畴壁和180 畴壁和180 畴壁
晶 体 结 构
现在发现，具有铁电性的晶体很多， 现在发现，具有铁电性的晶体很多，但概括起来可以分 为两大类： 为两大类： a.一类以磷酸二氢钾 KH2PO4 --简称 一类以磷酸二氢钾 简称KDP--为代表 简称 为代表 具有氢键， ，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。 为代表的氢键型铁晶体管， 的相变。以KDP为代表的氢键型铁晶体管，中子绕射 为代表的氢键型铁晶体管 的数据显示，在居里温度以上， 的数据显示，在居里温度以上，质子沿氢键的分布是成 对称沿展的形状。在低于居里温度时，质子的分布较集 对称沿展的形状。在低于居里温度时， 中且不对称于邻近的离子，质子会较靠近氢键的一端。 中且不对称于邻近的离子，质子会较靠近氢键的一端。 b.另一类则以钛酸钡为代表，从顺电相到铁电相的过渡 另一类则以钛酸钡为代表， 另一类则以钛酸钡为代表 是由于其中两个子晶格发生相对位移。 是由于其中两个子晶格发生相对位移。对于以为代表的 钙钛矿型铁电体，绕射实验证明， 钙钛矿型铁电体，绕射实验证明，自发极化的出现是由 于正离子的子晶格与负离子的子晶格发生相对位移。 于正离子的子晶格与负离子的子晶格发生相对位移。
电滞回线 hysteresis loop
• 电滞曲线是极化强度P 滞后于电场强度E的曲 线。 • 即当施加电场E，极化 强度P随E增加沿曲线 上升，至某点后P随E 的变化呈线性。E下降 时，P不随原曲线下降。 当E为0时，极化强度 不为0。为Pr，称剩余 极化强度。只有加上 反电场Ec时P为0。Ec 为矫顽电场强度。 • Ps为饱和极化强度
铁电材料的应用
铁电材料的应用一、什么是铁电材料铁电材料是一类具有铁电性质的材料，其特点是在外加电场下会出现极化现象，即正负电荷分离并形成极。
铁电材料广泛应用于传感器、存储器、压电元件等领域。
二、铁电材料的种类1. 铁酸钛（PZT）：是最常用的铁电材料之一，具有良好的压电效应和介电常数，在声学和振动传感器等领域得到广泛应用。
2. 铌酸锂（LiNbO3）：具有高的光学非线性系数和优异的光学性能，在光通信和激光技术中被广泛应用。
3. 铅镁钽酸锆（PMN-PT）：具有极高的压电系数和介电常数，在超声成像等领域有着广泛的应用前景。
4. 氧化锶钡（BSO）：具有光学非线性效应，在激光技术中被广泛应用。
三、铁电材料的应用1. 传感器：由于铁电材料具有良好的压电效应和介电常数，因此可以制成各种传感器，如声学传感器、压力传感器、温度传感器等。
铁电材料的高灵敏度和高稳定性使其在工业自动化和医疗设备等领域得到广泛应用。
2. 存储器：铁电材料具有非挥发性存储性能，可以制成非易失性存储器。
相比于闪存和DRAM等存储器，铁电存储器具有更高的速度、更低的功耗和更长的寿命。
3. 压电元件：铁电材料具有良好的压电效应，在机械振动控制、超声波发生和检测等领域得到广泛应用。
例如，铁电陶瓷可以制成超声换能器，在医疗诊断和治疗中发挥重要作用。
4. 光学元件：铁电材料具有光学非线性效应，在激光技术中得到广泛应用。
例如，铌酸锂可以制成调制器、频率倍增器等元件，在光通信中起着重要作用。
四、铁电材料的未来发展随着科技的不断进步，人们对材料性能的要求也越来越高。
铁电材料具有良好的电学、光学、机械和热学性能，因此在各个领域都有着广泛的应用前景。
未来，随着新型铁电材料的不断涌现，铁电材料必将在更多领域得到应用，为人类社会的发展做出更大贡献。
铁电功能材料PPT课件
Pb(B+21/2B+61/2)O3型
Pb(Mg1/2W1/2)O3，Pb(Co1/2W1/2)O3
Pb(B+31/2B+51/2)O3型
Pb(Fe1/2Nb1/2)O3，Pb(Fe1/2Ta1/2)O3
Pb(B+32/3B+61/3)O3型
Pb(Fe2/3W1/3)O3，Pb(Mn2/3W1/3)O3
主要是含铅的Pb(B1B2)O3 系列复合钙钛矿结构材料，
B1B2占据B位，满足条件： B位化合价= B1·y1+B2 ·y2=+4价
B1离子：低价阳离子，如Mg2+，Zn2+，Ni2+，Fe3+，Sc3+等 B2离子：高价阳离子，如Ti4+，Nb5+，Ta5+，W6+ 等
A位变化形成的化合物：
(A1+2A2+2)TiO3型 (Sr,Ba)TiO3 (Mg,Zn)TiO3
AT
AT
1 T
表征介电常数温度稳定性的容温变化率如下式所示：
C CT C20 100 %
C
C 20
其中：C20为陶瓷样品在20℃时的电容（1KHz）； CT为陶瓷样品在温度T时的电容（1KHz）
Z5V型电容器瓷料，10℃～85℃，-
5Y65%U型≤△电C容/C器≤瓷+2料2，%。-25℃～85℃，-80%≤△C/C≤+30%。
晶体在受到外电场激励下产生形变，且二者之间 呈线性关系，这种由电效应转换成机械效应的过程称 为逆压电效应。
力→形变→电压 电压→形变
正压电效应 逆压电效应
4、电致伸缩效应 electrostrictive effect