铁电体的基本特征
铁电与反铁电的比较
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
铁电体具有哪些特性？
铁电体具有哪些特性？根据量子力学定律，电子表现为粒子或波。
与水库的墙壁类似，“静电势墙”可以用来将电子限制在所需的空间区域，物理学家称之为“量子畜栏”。
限制电子使物理学家可以和它们一起工作，就像“盒子里的粒子”在本科水平的量子力学中练习一样。
但是含有电子的材料所产生的对称性也可以用来限制它们，而不需要使用大的势垒。
事实上，在原子厚度的所谓“量子材料”中，电子动量可以变得非常特殊。
在热释电晶体中，有若干种点群的晶体不但在某温度范围内具有自发极化，且自发极化有两个或多个可能的取向，在不超过晶体击穿电场强度的电场作用下，其取向可以随电场改变，这种特性称为铁电性，具有这种性质的晶体称为铁电体。
大量实验表明，描述铁电体的物理性质(如极化强度、热释电系数、压电常数等)与外电场E之间的滞后关系曲线就是电滞回线(ferroelectrichysteresis),类似于铁磁体的磁滞回线。
除此之外，铁电体与铁磁体在许多其他物理性质上也是具有一一相对应的类似，如电畴对应磁畴，顺电铁电相变对应于顺磁-铁磁相变，电矩对应磁矩，所以历史上就将这类具有电滞回线的晶体称为铁电体。
铁电体的共同特性为：1、自发极化铁晶体管是电介质中一类特别重要的介晶体管。
电介质的特性是：他们以感应而非以传导的方式传播电的作用与影响。
按照这个意义来说，不能简单的认为电介质就是绝缘体。
在电介质中起主要作用的是束缚着的电荷，在电的作用下，他们以正、负电荷着重不重合的电极化方式传递和记录电的影响。
而铁晶体管是-------即使没有外加电场，也可以显现出电偶极距的特性。
因其每单位晶胞带有电偶极矩，且其极化率与温度有关。
2、介电常数当温度高于某一临界温度时，晶体的铁电性消失，并且晶格亦发生转变，这一温度是铁电体的居里点。
由于铁电性的出现或消失，总伴随着晶格结构的改变，所以这是个相变过程。
当晶体从非铁电相(称顺电相)向铁电相过渡时，晶体的许多物理性质皆呈反常现象。
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。
铁电体居里温度的测定
铁电体居里温度的测定在没有外施电场的情况下，晶体的正、负电荷中心也不重合而呈现电偶极矩，这种现象称为自发极化。
凡是呈现自发极化，并且自发极化的方向能因施加外场而改变的晶体称为铁电体(ferroelectrics)。
常见的铁电体有下面三类：罗息盐型，如NaK（C4H4O6）•4H2O及LiNH4（C4H4O6）•H2O；KDP型如KH2PO4、RbH2PO4、CsH2AsO4；钙钛矿型，如BaTiO3、SrTiO3等。
若按形成铁电性的机理分类，可把铁电体分为两类：（1）位移型铁电体，钙钛矿型铁电体就属于这一类。
这一类铁电性来自正负离子的相对位移。
（2）有序－有序型铁电体，罗息盐及KDP型铁电体均属此类。
这一类铁电体都有氢键，氢核（质子）在氢键上有两个位置，分别靠近氢键的两端。
当氢核在此两位置上任意分布（无序分布）时，尽管这时晶体内也存在固有电偶极矩，但是这些固有电偶极矩的方向是杂乱无章的，因此整个晶体没有自发极化强度。
当氢键在两个位置上有序（有规则）分布时，这些固有电偶极矩的方向一致，引起自发的极化强度，也即引起铁电性。
铁电体的居里温度是铁电体发生相变时的相变温度，它是表征铁电的一个重要物理量。
通常的测试方法种类很多，例如，电容电桥法、比热法等。
本实验利用自制的仪器测试铁电体的居里温度，还可以样品的分子的电偶极矩进行估算，具有物理概念清晰、测试速度快、直观等优点。
一、实验原理：1、铁电体的性质在一定的温度范围内，某些晶体，如罗息盐（NaKC4H4O6•4H2O），钛酸钡（BaTiO3）等，其正负离子的排列不对称，因而晶胞正负电荷的重心不相重合，具有一点的电偶极矩p。
这些电偶极矩在某些区域之内方向一致，形成所谓铁电畴（ferroelectric domain）。
电畴与电畴之间的界面区域叫做畴壁。
因为铁电体的固有电偶极矩只能沿某些晶轴方向，铁电体的电畴也只能以几种形式存在。
例如对于铁电体BaTiO3，只有相互垂直的两个极化方向，因此，它只有两种电畴壁，分别为180º畴壁90º畴壁。
铁电体定义、特征和基础知识
Note:
铁电体与铁磁体在其它许多性质上也具有相 应的平行类似性，“铁电体”之名即由此而 来，其实它的性质与“铁”毫无关系。在欧 洲（如法国、德国）常称“铁电体”为“薛 格涅特电性”（Seignett-electricity）或 “罗息尔电性”（Rochell-electricity）。 因为历史上铁电现象是首先于1920年在罗 息盐中发现的，而罗息盐是在1665年被法 国药剂师薛格涅特在罗息这个地方第一次制 备出来。
至今已经发现的铁电晶体有一千多种。 它们广泛地分布于从立方晶系到单斜晶系 的10个点群中。 它们的自发极化强度从10-4C/m2到 1C/m2；它们的居里点有的低到-261.5C （酒石酸铊锂），有的高于1500C。
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表6-1给出了部分铁电晶体的分子式、居里 点和自发极化强度。 对于晶格结构和特性差异如此之大的各种 铁电体，要对它们做完善的统一分类是不 容易的。 到目前。
铁电体定义、特征和基础知识
1
➢什么是铁电体， ➢开关特性，Sawyer-Tower 电路 ➢铁电体主要特征 ➢典型的铁电材料的主要物理性质 ➢铁电材料的分类， ➢反铁电体
2
基本定义
➢具有自发极化强度（Ps） Spontaneous Polarization
➢自发极化强度能在外加电场下反转, Switchable Ps
36
单轴铁电体，多轴铁电体
根据铁电体的极化轴的多少分为两类。一 类是只能沿一个晶轴方向极化的铁电体， 如罗息盐以及其它酒石酸盐，磷酸二氢钾 型铁电体，硫酸铵以及氟铍酸铵等。另一 类是可以沿几个晶轴方向极化的铁电体 （在非铁电相时这些晶轴是等效的），如 钛酸钡、铌酸钾、钾铵铝矾等。这种分类 方法便于研究铁电畴。
27
铁电体
HefeiUniversity 铁电材料的应用系别：化工系学生姓名：陈浩专业班级：13无机非金属材料工程（2）班学号：1303032017铁电体铁电体是指可以产生自发极化并且自发极化可以随外电场的变化而发生转向的电介质材料,铁电体包含于压电体，压电体是指能够产生压电效应及逆压电效应的电介质材料，晶体具有压电性的前提是点群结构是非中心对称的。
结构中心对称的晶体发生形变后，其正电荷和负电荷中心仍然重合，不具备产生压电效应及逆压电效应的条件。
因为正负离子产生相互位移的结果是相互抵消的，所以只有不具备中心对称结构的晶体才具有压电效应可以成为压电晶体，但并不是具有压电效应的点群结构都可以产生自发极化强度，因为很多晶体的压电效应都是在某个特定方向产生的，说明该晶体的点群结构只在某个特定方向上非中心对称。
这就是说所有铁电体都是压电体，但压电体不一定是铁电体，比如石英，四硼酸锂等著名的压电体都不是铁电体[12]。
图1-2 电介质晶体分类在晶体学的32种点群中，有21种点群是非中心对称的，它们分别是1、2、m、222、2m m、4、4、422、4m m、3、32、422、3m、6、6、622、6m m、6m2、23、43m、432。
在这21种点群中，属于432点群的晶体至今未发现压电效应，这可能是由于432点群具有很高的轴对称性造成的，在这21种非中心对称的点群中有10种点群的晶体可能具有自发极化，它们是1、2、m、m m2、4、4m m、3、3m、6、6m m，并且在这10种点群晶体中自发极化还会随着温度的变化而发生改变，如果热胀冷缩效应足够大，那么温度的变化会导致应变的产生，这就是热释电效应，所以铁电体一定是属于可以产生自发极化的这10个点群范围内的[13]，图1-2中给出了几种晶体之间的关系。
铁电体的本质特性是可以产生自发极化，自发极化的产生是由于晶胞内部正负电荷中心不重叠而形成电偶极矩的体现，铁电体呈现自发极化状态，在其正负端面分别出现一层符号相反的束缚电荷使其净电压发生变化。
铁电功能材料
铁电陶瓷只在某一温度范围内才具有铁电性,它有 一临界温度Tc.,当温度高于Tc时,铁电相转变为顺电 相,自发极化消失, 晶体顺电相-铁电相的临界转变温度Tc称为居里温度
1.4、典型材料与应用
BaTiO3陶瓷材料
BaTiO3陶瓷材料的铁电性能在1942年被人 们发现,由于其性能优良,工艺简便,很快被应用于 介电、压电元器件,1954年人工法成功制备出 BaTiO3单晶,至今, BaTiO3陶瓷仍是应用的最广 泛和研究得比较透彻的一种铁电材料,
铁电体的电滞回线
电滞回线是铁电体的一个特征,它表示铁电 晶体中存在电畴,它是铁电体的极化强度P随 外加电场强度E的变化轨迹,
饱和极化强度Ps 剩余极化强度Pr 矫顽电场强度Ec
2、 电滞回线 hysteresis loop 在强电场作用下,使多畴铁电体变为单畴铁电体或使单
畴铁电体的自发极化反向的动力学过程称为畴的反转, 使剩余极化强度降为零时的电场值Ec称为矫顽电场强
铁电功能材料
介电材料
电介质功能材料
铁电材料
电
压电材料
功
敏感电介质材料
能
材
料
导电材料
快离子导体
电导体功能材料
电阻材料
超导电体
铁电陶瓷材料
铁电体 ferroelectrics 是电介质的一个亚 类,其基本特征是具有自发电极化并且这种 电极化可以在外电场作用下改变方向,由于 自身结构的原因,铁电体同时具有压电性和 热释电性,此外一些铁电晶体还具有非线性 光学效应、电光效应、声光效应、光折变 效应等,铁电体这些性质使它们可以将声、 光、电、热效应互相联系起来,成为一类重 要的功能材料,
实验 9.3 铁电体电滞回线及居里温度的测量
实验9.3 铁电体电滞回线及居里温度的测量自从1921年了J.Valasek 发现罗息盐是铁电体以来，迄今为止陆续发现的新铁电材料已达一千种以上。
铁电材料不仅在电子工业部门有广泛的应用，而且在计算机、激光、红外、徽波、自动控制和能源工程中都开辟了新的应用领域。
电滞回线是铁电体的主要特征之一，电滞回线的测量是检验铁电体的一种主要手段。
通过电滞回线的测量可以获得铁电体的一些重要参数。
在居里温度处，铁电材料的许多物理性质将发生突变，因此居里温度的测量对研究铁电体的性质有重要的的意义。
通过本实验可以了解铁电体的基本特性，掌握电滞回线及居里温度的一种测量方法。
一、实验目的1、了解铁电体电滞回线的原理；2、掌握铁电体电滞回线和居里温度的测量方法。
二、实验仪器铁电体电滞回线实验仪、计算机、示波器、电炉、BaTiO 3样品等。
三、实验原理1. 电滞回线根据固体物理的知识，全部晶体按其结构的对称性可以分成32类（点群）。
32类中有10类在结构上存在着唯一的“极轴”，即此类晶体的离子或分子在晶格结构的某个方向上正电荷的中心与负电荷的中心重合。
所以，不需要外电场的作用，这些晶体中就已存在着固有的偶极矩S P ，或称为存在着“自发极化”。
如果对具有自发极化的电介质施加一个足够大（如kV/cm)的外电场，该晶体的自发极化方向可随外电场而反向，则称这类电介质为“铁电体”。
众所周知，铁磁体的磁化强度与磁场的变化有滞后现象，表现为磁滞回线。
正如铁磁体一样铁电体的极化强度随外电场的变化亦有滞后现象，表现为“电滞回线”，且与铁电体的磁滞回线十分相似。
铁电体其它方面的物理性质与铁磁体也有某种对应的关系。
比如电畴对应于磁畴。
激发极化方向一致的区域（一般μm 10108--）称为铁电畴，铁电畴之间的界面称为磁壁。
两电畴反向平行排列的边界面称为180°磁壁，两电畴互相垂直的畴壁称为90°畴壁。
在外电场的作用下，电畴取向态改变180°的称为反转，改变90°的称为90°旋转。
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铁电体的基本特征
铁电体的基本特征
铁电体是一种具有特殊电性质的材料，其具有两个极性状态，可以在
外加电场作用下发生极化反转，这种特殊的性质使得铁电体在电子学、光学、声学等领域有着广泛的应用。
本文将从晶体结构、热力学性质、电学性质和磁学性质四个方面介绍铁电体的基本特征。
一、晶体结构
铁电体的晶体结构通常是非中心对称晶体结构，其具有空间反演对称
性破缺。
这种非中心对称结构使得铁电体具有了极化现象。
常见的铁
电材料包括钛酸锆（ZrTiO4）、钛酸镧（LaTiO3）、钛酸钡（BaTiO3）等。
二、热力学性质
1.相变温度
铁电材料具有相变温度，即在一定温度范围内由无序相向有序相转变。
这种相变通常伴随着极化反转现象。
例如，BaTiO3在120℃左右发生
相变，同时极化方向也发生了反转。
2.比热和热容
铁电材料的比热和热容通常具有峰值，在相变温度附近出现。
这是因为相变时铁电材料吸收或释放大量的热量。
三、电学性质
1.极化
铁电体具有两个稳定的极化状态，即正向极化和负向极化。
在外加电场作用下，铁电体可以发生极化反转，即从一个稳定状态转变为另一个稳定状态。
这种极化反转现象是铁电材料应用于存储器、传感器等领域的基础。
2.介电常数
铁电体的介电常数随着温度和频率的变化而变化。
在相变温度附近，介电常数会发生突变，这是因为相变时极化方向发生了反转。
四、磁学性质
1.自旋玻璃态
一些铁电材料具有自旋玻璃态，即在低温下呈现出玻璃态，并且具有
自旋玻璃特征。
例如，BiFeO3就是一种具有自旋玻璃态的铁电材料。
2.多铁性
一些铁电材料同时具有铁磁性和铁电性，这种材料被称为多铁材料。
多铁材料具有更加丰富的物理性质和应用前景。
例如，BiFeO3就是一种典型的多铁材料。
总结
铁电体具有非中心对称晶体结构、相变温度、比热和热容、极化、介
电常数、自旋玻璃态和多铁性等特征。
这些特征使得铁电体在存储器、传感器、光学器件等领域有着广泛的应用前景。