第六章 无机材料介电性能2PPT课件
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材料的介电性能PPT课件
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28
软模理论：
在一定情况下 ，晶体结构的铁电相变是布里渊区中心 的横向光学晶格振动的”柔软化”结果。
柔软化：声子横光学振动频率接近于零。
29
Ti4+—氧八面体中心
rTi 4 0.64 A
rO2 1.32 A
>120℃，立方结构 a＝4.0Ao1
O2-－O2-间隙：
4.01 21.32 1.37 A dTi4 1.28 A
本征电击穿理论 从理论上可分为
“雪崩”电击穿理论
8
电子加速运动(动能)与晶格振动的相互作用，把
1.本征电击穿理论
能量传递给晶格。当其处于平衡时，介质中有稳 定的电导，若电子能量大到一定值而破坏平衡，
电导由稳定态变为非稳定态。
A表示单位时间内从电场获得的能量
A e2E2 m*
E—电场强度；—松弛时间 (与电子能量U有关)
P
aE
exp
bI 2 E
15
以碰撞电离后自由电子数倍增到一定值作为电 击穿判据。
通过估算：由阴极出发的初始电子，在其 向阳极运动的过程中，1cm内的电离次数 达到40次，介质便击穿。 “四十代理论”： 当介质很薄时，碰撞电离不足以发展到40代，电子雪 崩系列已进入阳极复合，此时介质不能击穿。因此便 定性解释了薄层介质具有较高击穿电场的原因。
1.环境因素对铁电体性质的影响
（1） 外部条件（电场，应力。温度，压力）的变化， 可以引起铁电体极化强度PS的变化
32
（2）铁电体相变按自由能变化来分，可分为两类。 即：一级相变二级相变
33
一级相变 在相变点上，PS突变到零； PS
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软模理论：
在一定情况下 ，晶体结构的铁电相变是布里渊区中心 的横向光学晶格振动的”柔软化”结果。
柔软化：声子横光学振动频率接近于零。
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Ti4+—氧八面体中心
rTi 4 0.64 A
rO2 1.32 A
>120℃，立方结构 a＝4.0Ao1
O2-－O2-间隙：
4.01 21.32 1.37 A dTi4 1.28 A
本征电击穿理论 从理论上可分为
“雪崩”电击穿理论
8
电子加速运动(动能)与晶格振动的相互作用，把
1.本征电击穿理论
能量传递给晶格。当其处于平衡时，介质中有稳 定的电导，若电子能量大到一定值而破坏平衡，
电导由稳定态变为非稳定态。
A表示单位时间内从电场获得的能量
A e2E2 m*
E—电场强度；—松弛时间 (与电子能量U有关)
P
aE
exp
bI 2 E
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以碰撞电离后自由电子数倍增到一定值作为电 击穿判据。
通过估算：由阴极出发的初始电子，在其 向阳极运动的过程中，1cm内的电离次数 达到40次，介质便击穿。 “四十代理论”： 当介质很薄时，碰撞电离不足以发展到40代，电子雪 崩系列已进入阳极复合，此时介质不能击穿。因此便 定性解释了薄层介质具有较高击穿电场的原因。
1.环境因素对铁电体性质的影响
（1） 外部条件（电场，应力。温度，压力）的变化， 可以引起铁电体极化强度PS的变化
32
（2）铁电体相变按自由能变化来分，可分为两类。 即：一级相变二级相变
33
一级相变 在相变点上，PS突变到零； PS
材料的介电性能(精品课件)
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（1）损耗的形式
电导损耗：在电场作用下，介质中会有泄漏电流流过，
引起电导损耗。
极化损耗：只有缓慢极化过程才会引起能量损耗，如偶
极子的极化损耗。
游离损耗：气体间隙中的电晕损耗和液、固绝缘体中局
部放电引起的功率损耗称为游离损耗。
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（2）介质损耗的表示
当容量为C0=0A/d的平板电容器上加一交变电压 U=U0eiwt。则：
1
3 0
数
( N11
i
N 2 2
制
N33
N44 )
电子位 离子位 取向 移极化 移极化 极化
空间电 荷极化
• 上式表明，研制高介电常数的方向，应选择大的
极化率的离子，同时选择单位体积内极化质点多
的电介质。
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6.1.4 介质损耗
损耗的形式 介质损耗的表示方法 介质损耗和频率、温度的关系
-
-
----
-
Eloc E宏 P / 3 0
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24
（2）克劳修斯-莫索堤方程
极化强度P可以写为单位
体积电介质在实际电场作
用下所有电偶极矩的总和
第i种偶极子 电极化率
P Ni i
Ei
P 3 0
Eloc E0 Ed Ei
单位体积第 第i种偶极子
i种偶极子 平均偶极矩 数目
化
频
离子位移极 离子结构 直流——红 温度升高极
化
外
化增强
离子松弛极 离子不紧密 直流——超 随温度变化
化
的材料
高频
有极大值
无机材料介电性能
例如，BaTiO3在居里温度附近，电滞回线逐渐闭合为一 直线（铁电性消失）。
❖ 极化时间：电畴转向需要一定的时间，时间适当长一点，极 化就可以充分些，即电畴定向排列更完全。
实验表明，在相同的电场强度E作用下，极化时间长的， 具有较高的极化强度，也具有较高的剩余极化强度。
❖ 极化电压：极化电压加大，电畴转向程度高，剩余极化强度 变大。
❖ 晶体结构：同一种材料，单 晶体和多晶体的电滞回线是
不同的。右图反映BaTiO3单 晶和陶瓷电滞回线的差异。 单晶体的电滞回线很接近于
矩形，Ps和Pr很接近，而且Pr 较高；陶瓷的电滞回线中Ps与 Pr相差较多，表明陶瓷多晶体 不易成为单畴，即不易定向 排列。
五、铁电体的性能及其应用
1、介电特性 ❖ BaTiO3一类的钙铁矿型铁电
2、铁电体的基本特征 ❖ （1）铁电体的基本特征：
铁电材料在电极化中存在电滞回线； 晶体中存在电畴形式的微结构 ； 在外加电场下，晶体中的电偶极矩可转变方向； 存在居里温度Tc(常称居里点)。
❖ （2）居里温度Tc 当T>Tc时，材料由铁电相转变为顺电相，极化时电滞回 线特性消失。此时，P与E一般呈现线性关系，介电常数 随温度的变化服从居里-外斯定律：
一、铁电体
1、基本概念 ❖ 线性（非线性）介质：有外加电场时，介质的极化强度与宏
观电场的关系是线性（非线性）的，称为线性（非线性）介 质。 ❖ 自发极化：在无外电场作用的时候，晶体的正负电荷中心不 重合而呈现电偶极矩的现象称为自发极化。 ❖ 通常将晶胞里存在固有电偶极矩的晶体称为极性晶体。
❖ 铁电体：在一定温度范围内具有自发极化，且自发极化方向 能随外场作可逆转动的晶体称为铁电体。
这种结构也可看成是一组BO6八面体按 简立方图样排列而成，各氧八面体由公有 的氧离子联结，A正离子占据氧八面体之 间的空隙。钙钛矿原胞是立方的，也可畸 变成具有三角和四方对称性。
❖ 极化时间：电畴转向需要一定的时间，时间适当长一点，极 化就可以充分些，即电畴定向排列更完全。
实验表明，在相同的电场强度E作用下，极化时间长的， 具有较高的极化强度，也具有较高的剩余极化强度。
❖ 极化电压：极化电压加大，电畴转向程度高，剩余极化强度 变大。
❖ 晶体结构：同一种材料，单 晶体和多晶体的电滞回线是
不同的。右图反映BaTiO3单 晶和陶瓷电滞回线的差异。 单晶体的电滞回线很接近于
矩形，Ps和Pr很接近，而且Pr 较高；陶瓷的电滞回线中Ps与 Pr相差较多，表明陶瓷多晶体 不易成为单畴，即不易定向 排列。
五、铁电体的性能及其应用
1、介电特性 ❖ BaTiO3一类的钙铁矿型铁电
2、铁电体的基本特征 ❖ （1）铁电体的基本特征：
铁电材料在电极化中存在电滞回线； 晶体中存在电畴形式的微结构 ； 在外加电场下，晶体中的电偶极矩可转变方向； 存在居里温度Tc(常称居里点)。
❖ （2）居里温度Tc 当T>Tc时，材料由铁电相转变为顺电相，极化时电滞回 线特性消失。此时，P与E一般呈现线性关系，介电常数 随温度的变化服从居里-外斯定律：
一、铁电体
1、基本概念 ❖ 线性（非线性）介质：有外加电场时，介质的极化强度与宏
观电场的关系是线性（非线性）的，称为线性（非线性）介 质。 ❖ 自发极化：在无外电场作用的时候，晶体的正负电荷中心不 重合而呈现电偶极矩的现象称为自发极化。 ❖ 通常将晶胞里存在固有电偶极矩的晶体称为极性晶体。
❖ 铁电体：在一定温度范围内具有自发极化，且自发极化方向 能随外场作可逆转动的晶体称为铁电体。
这种结构也可看成是一组BO6八面体按 简立方图样排列而成，各氧八面体由公有 的氧离子联结，A正离子占据氧八面体之 间的空隙。钙钛矿原胞是立方的，也可畸 变成具有三角和四方对称性。
无机材料物理性能教案ppt
g
圆片式样体积电阻率的测量
电导的宏观参数
片状试样
电导的宏观参数
精确测定结果:
电导的宏观参数
8、表面电阻和表面电阻率
板状式样
电导的宏观参数
圆片试样
I V
r1 a r2 g
b
电导的宏观参数
直流四端电极法
适用于中高电导率的材料，能消除电 极非欧姆接触对测量结果的影响。
电导的宏观参数
在室温下测量电导率常采用简单的四探针法
匀材料，电流是均匀的， 电流密度J在各处是一 样的。
定义：单位面积通 过的电流，或单位时间 通过单位面积的电荷量。
表达式：
(A•cm-2)
3、电场强度 定义：单位长度上的电势差。 表达式： (V•cm-1)
4、电阻率：
ρ为电阻率， 为反映材料电阻性能的参数
5、电导率：
反映材料的电阻性能。
6、欧姆定律的微分形式
电导的物理特性
3、电解效应（离子电导特性） 离子的迁移伴随质量变化，离子在
电极附近发生电子得失，产生新的物 质。
法拉第电解定律：
——电解物质的量 ——电化当量
——通过的电量 ——法拉第常数
实质：类似电解质溶液中的电解。
如NaCl溶液的电解。
应用：可检验陶瓷材料是否存在离子电 导。
4、迁移率和电导率的一般表达式
载流子浓度
杂质电导：由固定较弱的离子（杂 质）的运动造成。
杂质电导中，载流子浓度取决于杂质 的数量和种类。
二、离子迁移率
❖ 离子电导的微观机构为载流子 ── 离子的扩散 。
❖ 间隙离子的扩散过程就构成了宏 观的离子“迁移”。
离子扩散机构
离子迁移率
间隙离子的势垒
圆片式样体积电阻率的测量
电导的宏观参数
片状试样
电导的宏观参数
精确测定结果:
电导的宏观参数
8、表面电阻和表面电阻率
板状式样
电导的宏观参数
圆片试样
I V
r1 a r2 g
b
电导的宏观参数
直流四端电极法
适用于中高电导率的材料，能消除电 极非欧姆接触对测量结果的影响。
电导的宏观参数
在室温下测量电导率常采用简单的四探针法
匀材料，电流是均匀的， 电流密度J在各处是一 样的。
定义：单位面积通 过的电流，或单位时间 通过单位面积的电荷量。
表达式：
(A•cm-2)
3、电场强度 定义：单位长度上的电势差。 表达式： (V•cm-1)
4、电阻率：
ρ为电阻率， 为反映材料电阻性能的参数
5、电导率：
反映材料的电阻性能。
6、欧姆定律的微分形式
电导的物理特性
3、电解效应（离子电导特性） 离子的迁移伴随质量变化，离子在
电极附近发生电子得失，产生新的物 质。
法拉第电解定律：
——电解物质的量 ——电化当量
——通过的电量 ——法拉第常数
实质：类似电解质溶液中的电解。
如NaCl溶液的电解。
应用：可检验陶瓷材料是否存在离子电 导。
4、迁移率和电导率的一般表达式
载流子浓度
杂质电导：由固定较弱的离子（杂 质）的运动造成。
杂质电导中，载流子浓度取决于杂质 的数量和种类。
二、离子迁移率
❖ 离子电导的微观机构为载流子 ── 离子的扩散 。
❖ 间隙离子的扩散过程就构成了宏 观的离子“迁移”。
离子扩散机构
离子迁移率
间隙离子的势垒
第六章材料的结构与介电性能
第6章 材料的结构与介电性能“电介质”一词，概括了范围很广的材料。
具有介电常数的任何物质，都可以看作是电介质，至少在高频下是这样。
电介质系指在电场作用下，能建立极化的一切物质。
当在一个真空平行电容器的电极板间嵌入一块电介质时，如果在电极之间施加外电场，则可发现在介质表面上感应出了电荷，即正极板附件的介质表面上感应出了负电荷，负极板附近的介质表面上感应出了正电荷，这种表面电荷称为感应电荷，也称束缚电荷。
束缚电荷不会形成漏导电流。
电介质在电场作用下产生感应电荷的现象，称之为电介质的极化。
电路中的电容器c 包含几何的和材料的两种因素。
对以上真空平行电容器C 0=dA ε0 式中A 为面积，d 为板极间距，ε0是真空介电常数，ε0＝8.85×10－12F/m （法拉/米）。
如果在真空电容器中嵌入电介质，则 C= C 0×r C εεε00= 式中ε是电介质的介电常数，εr称相对介电常数。
由以上两式不难推出，ACdC C r ⨯==001εε εr 反映了电介质极化的能力。
本章讨论无机材料最一般的介电性能，包括介质的极化、介质的损耗、介电强度，着重讨论这些参数的物理概念及其与物质微观结构之间的关系。
§6.1 介质的极化一、极化现象及其物理量介质最重要的性质是在外电场作用下能够极化。
所谓极化，就是介质内质点（原子、分子、离子）正负电荷重心的分离，从而转变成偶极子。
在电场作用下，构成质点的正负电荷沿电场方向在有限范围内短程移动，组成一个偶极子（图6.1）。
设正电荷与负电荷的位移矢量为l ，则定义此偶极子的电偶极矩ql =μ，规定其方向从负电荷指向正电荷，即电偶极矩的方向与外电场E 的方向一致。
如果介质中含有极性分子，则这些极性分子都可看作偶极子。
在外电场作用下，这些极性分子发生转向，转向的结果是每一个极性轴趋于电场方向，所以每一个偶极子的电偶极矩μ应看作原极性分子偶极矩在电场方向的投影。
无机材料的介电性能-第2讲
基本原理是基于电滞回线的极 化反转和剩余极化特性。 铁电存储器的主要形式有 铁电随机存取存储器(FRAM)：直 接利用铁电薄膜的极化反转，以薄 膜的±Pr状态分别代表二进制的 “0”和“1”。 铁电场效应晶体管(FFET)：在FFET中，铁电薄膜作为源 极和漏极之间的栅极，其极化状态±Pr会改变源—漏极 之间的电流，可由该电流读出所存储的信息。 铁电动态随机存取存储器（FDRAM）：DRAM是基于电 荷积累的半导体存储器，在FDRAM中，利用超小型铁电 薄膜电容器的高电容率使存储量大幅度提高。
Ti4+－O2-间距大（2.005A）, 故氧八面体间隙大,
因而
Ti4+离子能在氧八面体中振动。
T>120
℃, Ti4+处在各方几率相同（偏离中心的几率为
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，
按氧八面体三组方向相互传递、偶合，形成自发极化电 畴。
第六章 无机材料的介电性能
存在一个居里温度Tc(常称居里点)，当T>Tc时，材料由铁电 相转变为顺电相，极化时电滞回线特性消失，P与E一般呈现 线性关系，并且介电常数随温度的变化服从居里-外斯定律：
C /(T T0 ),T TC
式中C为居里-外斯常数，T0为居里-外斯温度。对连续 相变，T0=Tc；对一级相变，T0<Tc。
第六章 无机材料的介电性能
铁电存储器的应用领：
强耐辐射能力—— 空间和航天技术应用 优异的读写耐久性—— 电视频道存储器、游戏机数 字存储器、汽车里程表和复印机计数器等应用 低电压工作和低功耗——移动电话及射频识别系统中 的存储器 高速写入和编程能力、低功耗、长耐久性等——IC卡 最理想的存储器。
Ti4+－O2-间距大（2.005A）, 故氧八面体间隙大,
因而
Ti4+离子能在氧八面体中振动。
T>120
℃, Ti4+处在各方几率相同（偏离中心的几率为
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，
按氧八面体三组方向相互传递、偶合，形成自发极化电 畴。
第六章 无机材料的介电性能
存在一个居里温度Tc(常称居里点)，当T>Tc时，材料由铁电 相转变为顺电相，极化时电滞回线特性消失，P与E一般呈现 线性关系，并且介电常数随温度的变化服从居里-外斯定律：
C /(T T0 ),T TC
式中C为居里-外斯常数，T0为居里-外斯温度。对连续 相变，T0=Tc；对一级相变，T0<Tc。
第六章 无机材料的介电性能
铁电存储器的应用领：
强耐辐射能力—— 空间和航天技术应用 优异的读写耐久性—— 电视频道存储器、游戏机数 字存储器、汽车里程表和复印机计数器等应用 低电压工作和低功耗——移动电话及射频识别系统中 的存储器 高速写入和编程能力、低功耗、长耐久性等——IC卡 最理想的存储器。
材料的介电性能教学课件
添加填料
通过向介电材料中添加填料 来提高其介电性能。
表面改性
通过改变介电材料表面的性 质来提高其介电性能。
掺杂改性
通过掺杂其他物质来改善介 电材料的性能。
现有问题及解决方案
1 介电强度降低的问
题
通过材料改良和设计优 化来提高介电强度。
2 介电损耗过高的问
题
3 改进介电性能的新
方向
通过优化材料结构和表 面处理来降低介电损耗。
材料的介电性能教学课件 PPT
本课件旨在介绍材料的介电性能，涵盖介电性能的概述、介电材料的分类、 介电应用领域、介电测试技术、性能改善以及现有问题及解决方案等主题。
介电性能概述
1 介电常数的定义
2 介电损耗的定义
介电常数是材料对电场强度的响应程度的 量度。
介电损耗是材料中电能转化为热能的程度。
3 介电强度的定义
4 介电中的极化现象
介电强度是材料能够承受的最大电场强度。
极化是材料中正、负电荷偏离平衡位置的 过程。
介电材料分类
常用的介电材料
常见的介电材料包括陶瓷、塑料、橡胶等。
介电材料的特性比较
不同介电材料具有不同的介电常数、介电损耗和介电强度。
介电应用领域
介电材料在电容器中的 应用
介电材料用于制造电容器以 存储电荷。
介电材料在电子器件中 的应用
介电材料用于制造电子器件 以实现绝缘和隔离于高压设备中的 绝缘和耐压功能。
介电测试技术
1 介电常数测试
通过实验测量材料的介电常数。
3 介电强度测试
通过实验测量材料的介电强度。
2 介电损耗测试
通过实验测量材料的介电损耗。
介电材料的性能改善
第6章 材料的介电性能
O
+ +
P
rsin
rd
r
+
+
+ +
+
dq＝-dS＝-Pcos2r2sind
＝-2r2Pcossind
dq电荷在空腔球心O点产生的电场dE—即在P方向的投影：
1 dq dE cos 40 r 2
1 P cos 2 sin d 2 0
极化机制种类
电子的极化 离子的极化 偶极子取向极化 空间电荷极化
极化形式
位移极化 松弛极化 自发极化
1.电子，离子位移极化
电子位移极化
离子位移极化
（1）电子位移极化 电子位移极化率e 加电场后 电子轨道
在电场作用下， 电子位移形式偶极矩*
O -q
Eloc 加电场前 电子轨道 M +q -q
1 1 E0 Ed PE P 3 0 3 0
E1
1 P 3 0
?
P Pcos
E1的计算
相对于极化方向夹角为处空腔 表面上的面电荷密度 ＝-P＝-Pcos 取d角对应的微小环球面，其 环球带面积为： dS＝2rsinrd ＝2r2sind dS面上的总束缚电荷：
0 —真空介电常数(8.85410-12 F/m)
电位移 D 电位移是为了描述电解质的高斯定理所引入的物理量，其 定义：
D 0E P
E—电场强度 P—磁场强度
对各向同性电介质，由（6-6）和（6-7） 得
D 0 E P 0 E 0 E 0 r E E
偶极矩
+ +
P
rsin
rd
r
+
+
+ +
+
dq＝-dS＝-Pcos2r2sind
＝-2r2Pcossind
dq电荷在空腔球心O点产生的电场dE—即在P方向的投影：
1 dq dE cos 40 r 2
1 P cos 2 sin d 2 0
极化机制种类
电子的极化 离子的极化 偶极子取向极化 空间电荷极化
极化形式
位移极化 松弛极化 自发极化
1.电子，离子位移极化
电子位移极化
离子位移极化
（1）电子位移极化 电子位移极化率e 加电场后 电子轨道
在电场作用下， 电子位移形式偶极矩*
O -q
Eloc 加电场前 电子轨道 M +q -q
1 1 E0 Ed PE P 3 0 3 0
E1
1 P 3 0
?
P Pcos
E1的计算
相对于极化方向夹角为处空腔 表面上的面电荷密度 ＝-P＝-Pcos 取d角对应的微小环球面，其 环球带面积为： dS＝2rsinrd ＝2r2sind dS面上的总束缚电荷：
0 —真空介电常数(8.85410-12 F/m)
电位移 D 电位移是为了描述电解质的高斯定理所引入的物理量，其 定义：
D 0E P
E—电场强度 P—磁场强度
对各向同性电介质，由（6-6）和（6-7） 得
D 0 E P 0 E 0 E 0 r E E
偶极矩
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❖ 由自发极化方向相同的晶胞所组成的小区域便称为电畴，分 隔相邻电畴的界面称为畴壁。
A-A：180°畴壁 B-B：90 °畴壁
铁电体中电畴是不能在空间任意取向的，只能沿着晶体的 某几个特定晶向取向，取决于该种铁电体原型结构的对称性。
TEM observation of domains in BaTiO3 ceramics
“压峰效应”：为了降低居里点处的介电常数的峰值， 即降低非线性。
2、铁电体的应用
6.5 压电性
❖ 压电性：某些介质在机械力作用下发生电极化或电极化的变 化，这样的性质称为压电性。具有压电性的介质称为压电体。
6.4 铁电性
❖ 1920年 法国人瓦拉赛克(Valasek) 发现即酒石酸钾钠 (NaKC4H4O6·4H2O)的铁电现象；
❖ 20世纪50年代以来 铁电体种类急剧增加，早年是科学家实 验室中的珍品，被当作研究结构相变的典型材料；
❖ 20世纪80年代以来 铁电体作为一类新型功能材料而崭露头 角。
一、铁电体
化强度）
剩余极化强度 Pr
矫顽电 场强度
Ec
2、电滞回线的影响因素： ❖ 极化温度：极化温度的高低影响到电畴运动和转向的难易。
矫顽场强和饱和场强随温度升高而降低。 极化温度较高，可以在较低的极化电压下达到同样的效
果，其电滞回线形状比较瘦长。
❖ 环境温度：环境温度的变化对材料的晶体结构有影响，从而 使内部自发极化发生改变，尤其是在相变处（晶型转变温度 点）更为显著。
2、铁电体的基本特征 ❖ （1）铁电体的基本特征：
铁电材料在电极化中存在电滞回线； 晶体中存在电畴形式的微结构 ； 在外加电场下，晶体中的电偶极矩可转变方向； 存在居里温度Tc(常称居里点)。
❖ （2）居里温度Tc 当T>Tc时，材料由铁电相转变为顺电相，极化时电滞回 线特性消失。此时，P与E一般呈现线性关系，介电常数 随温度的变化服从居里-外斯定律：
体具有很高的介电常数，可 以用来制造小体积大容量的 陶瓷电容器。 ❖ 为了提高室温下材料的介电 常数，可添加其他钙铁矿型 铁电体形成固溶体。
❖ 在实际生产中需要解决调整居里点和居里点处介电常数的峰 值问题，这就是所谓“移峰效应”和“压峰效应”。
“移峰效应”：在铁电体中引入某种添加物生成固溶体， 改变原来的晶胞参数和离子间的相互联系，使居里点向 低温或高温方向移动。
钛酸钡自发极化的机制与其晶体结构密切相关！
BaTiO3晶体在温度 变化过程中由于晶 体结构的变化，介 电系数也随着变化， 在相变温度点出现 介电系数的跃迁。 这是由于在这些温 度上产生了结构的 变化。
BaTiO3单晶的介电常数与温度的关系
三、铁电畴
❖ 铁电体的自发极化被电场重新定向后，晶体内部会产生退极 化场，电耦极矩在退极化电场的作用下形成退极化能。为降 低系统的能量，晶体内就会分裂出一系列自发极化方向不同 的小区域，使其各自所建立的退极化电场互相补偿，直到整 个晶体对内、对外均不呈现电场为止。
这种结构也可看成是一组BO6八面体按 简立方图样排列而成，各氧八面体由公有 的氧离子联结，A正离子占据氧八面体之 间的空隙。钙钛矿原胞是立方的，也可畸 变成具有三角和四方对称性。
钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅和KxNa1xNbO3等铁电压电陶瓷具有钙钛矿结构。
二、钛酸钡自发极化的微观机理
❖ 铁电体的位移性理论： 自发极化主要是由晶体中某些 离子偏离平衡位置，使单位晶 胞中出现偶极矩，偶极矩之间 的相互作用使偏离平衡位置的 离子在新的位置上稳定下来， 同时晶体结构发生了畸变。
1、基本概念 ❖ 线性（非线性）介质：有外加电场时，介质的极化强度与宏
观电场的关系是线性（非线性）的，称为线性（非线性）介 质。 ❖ 自发极化：在无外电场作用的时候，晶体的正负电荷中心不 重合而呈现电偶极矩的现象称为自发极化。 ❖ 通常将晶胞里存在固有电偶极矩的晶体称为极性晶体。
❖ 铁电体：在一定温度范围内具有自发极化，且自发极化方向 能随外场作可逆转动的晶体称为铁电体。
❖ 铁电性：材料在一定温度范围内具有自发极化，且其自发极 化可以因外电场作用而转向，材料的这种特性称为铁电性。
❖ 铁电体一定是极性晶体，但并非所有极性晶体都具有铁电性！
铁电材料的电滞回线 因铁电体介电常数值特别的高，也称为“强介材料”或“强介体” 铁电体的标识性特征是其电极化与外电场的关系表现为电滞回线！
例如，BaTiO3在居里温度附近，电滞回线逐渐闭合为一 直线（铁电性消失）。
❖ 极化时间：电畴转向需要一定的时间，时间适当长一点，极 化就可以充分些，即电畴定向排列更完全。
实验表明，在相同的电场强度E作用下，极化时间长的， 具有较高的极化强度，也具有较高的剩余极化强度。
❖ 极化电压：极化电压加大，电畴转向程度高，剩余极化强度 变大。
❖ 晶体结构：同一种材料，单 晶体和多晶体的电滞回线是
不同的。右图反映BaTiO3单 晶和陶瓷电滞回线的差异。 单晶体的电滞回线很接近于
矩形，Ps和Pr很接近，而且Pr 较高；陶瓷的电滞回线中Ps与 Pr相差较多，表明陶瓷多晶体 不易成为单畴，aTiO3一类的钙铁矿型铁电
C /(T T0 ), T TC
式中C为居里-外斯常数，T0为居里-外斯温度。对连续相 变，T0=Tc；对一级相变，T0<Tc。
知识回顾：钙钛矿结构
钙钛矿结构 perovskite structure
具有钙钛矿结构的铁电、压电陶瓷属 于ABO3型, 其中A为一价或二价金属离子， 而B为四价或五价金属。半径较小的B正离 子位于氧八面体中心，半径较大的A正离 子和氧离子分别位于顶角、面心。
铌酸钾晶体中的电畴
➢在外电场作用下，铁电畴总是要趋于与外电场方向一致，这称 为电畴的“转向”。实际上电畴运动是通过在外电场作用下新畴 的出现、发展以及畴壁的移动来实现的，而且由于转向时引起较 大内应力，这种转向不稳定。
四、电滞回线的形成
1、电滞回线是铁电畴在外电场作用下运动的宏观描述。
饱和极化强 度Ps（自发极
A-A：180°畴壁 B-B：90 °畴壁
铁电体中电畴是不能在空间任意取向的，只能沿着晶体的 某几个特定晶向取向，取决于该种铁电体原型结构的对称性。
TEM observation of domains in BaTiO3 ceramics
“压峰效应”：为了降低居里点处的介电常数的峰值， 即降低非线性。
2、铁电体的应用
6.5 压电性
❖ 压电性：某些介质在机械力作用下发生电极化或电极化的变 化，这样的性质称为压电性。具有压电性的介质称为压电体。
6.4 铁电性
❖ 1920年 法国人瓦拉赛克(Valasek) 发现即酒石酸钾钠 (NaKC4H4O6·4H2O)的铁电现象；
❖ 20世纪50年代以来 铁电体种类急剧增加，早年是科学家实 验室中的珍品，被当作研究结构相变的典型材料；
❖ 20世纪80年代以来 铁电体作为一类新型功能材料而崭露头 角。
一、铁电体
化强度）
剩余极化强度 Pr
矫顽电 场强度
Ec
2、电滞回线的影响因素： ❖ 极化温度：极化温度的高低影响到电畴运动和转向的难易。
矫顽场强和饱和场强随温度升高而降低。 极化温度较高，可以在较低的极化电压下达到同样的效
果，其电滞回线形状比较瘦长。
❖ 环境温度：环境温度的变化对材料的晶体结构有影响，从而 使内部自发极化发生改变，尤其是在相变处（晶型转变温度 点）更为显著。
2、铁电体的基本特征 ❖ （1）铁电体的基本特征：
铁电材料在电极化中存在电滞回线； 晶体中存在电畴形式的微结构 ； 在外加电场下，晶体中的电偶极矩可转变方向； 存在居里温度Tc(常称居里点)。
❖ （2）居里温度Tc 当T>Tc时，材料由铁电相转变为顺电相，极化时电滞回 线特性消失。此时，P与E一般呈现线性关系，介电常数 随温度的变化服从居里-外斯定律：
体具有很高的介电常数，可 以用来制造小体积大容量的 陶瓷电容器。 ❖ 为了提高室温下材料的介电 常数，可添加其他钙铁矿型 铁电体形成固溶体。
❖ 在实际生产中需要解决调整居里点和居里点处介电常数的峰 值问题，这就是所谓“移峰效应”和“压峰效应”。
“移峰效应”：在铁电体中引入某种添加物生成固溶体， 改变原来的晶胞参数和离子间的相互联系，使居里点向 低温或高温方向移动。
钛酸钡自发极化的机制与其晶体结构密切相关！
BaTiO3晶体在温度 变化过程中由于晶 体结构的变化，介 电系数也随着变化， 在相变温度点出现 介电系数的跃迁。 这是由于在这些温 度上产生了结构的 变化。
BaTiO3单晶的介电常数与温度的关系
三、铁电畴
❖ 铁电体的自发极化被电场重新定向后，晶体内部会产生退极 化场，电耦极矩在退极化电场的作用下形成退极化能。为降 低系统的能量，晶体内就会分裂出一系列自发极化方向不同 的小区域，使其各自所建立的退极化电场互相补偿，直到整 个晶体对内、对外均不呈现电场为止。
这种结构也可看成是一组BO6八面体按 简立方图样排列而成，各氧八面体由公有 的氧离子联结，A正离子占据氧八面体之 间的空隙。钙钛矿原胞是立方的，也可畸 变成具有三角和四方对称性。
钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅和KxNa1xNbO3等铁电压电陶瓷具有钙钛矿结构。
二、钛酸钡自发极化的微观机理
❖ 铁电体的位移性理论： 自发极化主要是由晶体中某些 离子偏离平衡位置，使单位晶 胞中出现偶极矩，偶极矩之间 的相互作用使偏离平衡位置的 离子在新的位置上稳定下来， 同时晶体结构发生了畸变。
1、基本概念 ❖ 线性（非线性）介质：有外加电场时，介质的极化强度与宏
观电场的关系是线性（非线性）的，称为线性（非线性）介 质。 ❖ 自发极化：在无外电场作用的时候，晶体的正负电荷中心不 重合而呈现电偶极矩的现象称为自发极化。 ❖ 通常将晶胞里存在固有电偶极矩的晶体称为极性晶体。
❖ 铁电体：在一定温度范围内具有自发极化，且自发极化方向 能随外场作可逆转动的晶体称为铁电体。
❖ 铁电性：材料在一定温度范围内具有自发极化，且其自发极 化可以因外电场作用而转向，材料的这种特性称为铁电性。
❖ 铁电体一定是极性晶体，但并非所有极性晶体都具有铁电性！
铁电材料的电滞回线 因铁电体介电常数值特别的高，也称为“强介材料”或“强介体” 铁电体的标识性特征是其电极化与外电场的关系表现为电滞回线！
例如，BaTiO3在居里温度附近，电滞回线逐渐闭合为一 直线（铁电性消失）。
❖ 极化时间：电畴转向需要一定的时间，时间适当长一点，极 化就可以充分些，即电畴定向排列更完全。
实验表明，在相同的电场强度E作用下，极化时间长的， 具有较高的极化强度，也具有较高的剩余极化强度。
❖ 极化电压：极化电压加大，电畴转向程度高，剩余极化强度 变大。
❖ 晶体结构：同一种材料，单 晶体和多晶体的电滞回线是
不同的。右图反映BaTiO3单 晶和陶瓷电滞回线的差异。 单晶体的电滞回线很接近于
矩形，Ps和Pr很接近，而且Pr 较高；陶瓷的电滞回线中Ps与 Pr相差较多，表明陶瓷多晶体 不易成为单畴，aTiO3一类的钙铁矿型铁电
C /(T T0 ), T TC
式中C为居里-外斯常数，T0为居里-外斯温度。对连续相 变，T0=Tc；对一级相变，T0<Tc。
知识回顾：钙钛矿结构
钙钛矿结构 perovskite structure
具有钙钛矿结构的铁电、压电陶瓷属 于ABO3型, 其中A为一价或二价金属离子， 而B为四价或五价金属。半径较小的B正离 子位于氧八面体中心，半径较大的A正离 子和氧离子分别位于顶角、面心。
铌酸钾晶体中的电畴
➢在外电场作用下，铁电畴总是要趋于与外电场方向一致，这称 为电畴的“转向”。实际上电畴运动是通过在外电场作用下新畴 的出现、发展以及畴壁的移动来实现的，而且由于转向时引起较 大内应力，这种转向不稳定。
四、电滞回线的形成
1、电滞回线是铁电畴在外电场作用下运动的宏观描述。
饱和极化强 度Ps（自发极