铁电材料的特性及应用综述

铁电材料的特性及应用综述

孙敬芝

（河北联合大学材料科学与工程学院河北唐山 063009）摘要：铁电材料具有良好的铁电性、压电性、热释电以及性光学等特性以及原理，铁电材料是具有驱动和传感2 种功能的机敏材料, 可以块材、膜材(薄膜和厚膜) 和复合材料等多种形式应用, 在微电子机械和智能材料与结构系统中具有广阔的潜在应用市场。

关键词：铁电材料；铁电性；应用前景

C haracteristics and Application of Ferroelectric

material

Sun Jingzhi

( Materials Science and Engineering college, Hebei United University Tangshan 063009,China )

Abstract:Ferroelectric material has good iron electrical, piezoelectric , pyroelectric and nonlinear optical properties, such as a driver and sensing two function piezoelectric materials, can block material, membrane materials (film and thick film) and the compound Material of a variety of forms such as application, in microelectromechanical and intelligent materials and structures in the system with vast potential application market.

Keywords: ferroelect ric materials Iron electrical development trend

0前言

晶体按几何外形的有限对称图象, 可以分为32 种点群, 其中有10 种点群: 1, 2, m , mm 2, 4,4mm , 3, 3m , 6, 6mm , 它们都有自发极化。从对称性分析它们的晶体结构都具有所谓的极轴, 即利用对称操作不能实现与晶体的其它晶向重合的轴向, 极轴二端具有不同的物理性能。从物理性质上看, 它们不但具有自发极化, 而且其电偶极矩在外电场作用下可以改变方向。在介电强度允许条件下, 能够形成电滞回线。晶体这种性能称为铁电性, 具有铁电性的材料称为铁电材料。1920 年法国人V alasek 发现了罗息盐(酒石酸钾钠 ) 的特异介电性, 导致“铁电性”概念的出现(也有人认为概念出现更早)。现在各种铁电材料十分丰富,

以每种化合物或固溶体算一种铁电体, 而不包括掺杂或取代的衍生者, 目前已达200 多种, 研究论文每年都在3000 篇以上, 是介电物理学和功能材料研究领域中的热点之一[1 ]。具有铁电性的材料, 一定也具有压电性, 但反过来却不一定成立。材料具有压电性, 即当给材料以应力(应变) , 则相应产生电位移或电场变化, 它们的相关参数称为压电应变常量, 铁电材料按其材料类别、形态分可以有: 铁电陶瓷材料、铁电薄膜材料(含有机薄膜) 以及复合材料.

为此，本文对铁电陶瓷材料、铁电薄膜材料(含有机薄膜) 以及复合材料的研究现状和应用情况进行了综述，为未来的新型铁电材料的研究提供参考。

1 铁电陶瓷。

目前按产生传感、驱动功能的机制, 铁电陶瓷可分为3 种:

1.1层状铁电陶瓷

目前，研究较多、并且用于制备铁电陶瓷材料的是钙钛矿结构的锆钛酸铅（简称PZT）系列。此系列的突出优点是剩余极化较大Pr（10~35 μC/cm 2）、热处理温度较低（600℃左右）。但是随着研究的深入，人们发现，在经过累计的极化反转之后PZT系列性能退化，主要表现在出现高的漏电流和较严重的疲劳问题，另外，铅的挥发对人体也有害。因此研究和开发性能优良且无铅的铁电陶瓷具有重要的现实意义。而铋系层状钙钛矿结构材料属于铁电材料类且性能较好又不含铅，因此受到人们的广泛关注。该材料通式是(Bi2O2) 2+（A n-1B n O3n+1)2-，其中A 为+1、+2或+3价离子，B 为+ 3、+ 4 或+ 5价离子，n 为类钙钛矿层中氧八面体BO6层数，其中类钙钛矿层(A n-1B n O3n+1)2-与铋氧层(Bi2O2)2+交替排列。SrBi4Ti4O15（简称SBTi）（n=4 、n = 5或n = 7）陶瓷是铋系层状钙钛矿结构铁电陶瓷材料。研究发现：其剩余极化较大，单晶极化强度方向沿a 或b轴时，（2Pr=58μC/cm2）[1]，热稳定性能也比较好（居里温度为520℃）[2]，另外，SBTi 陶瓷又是非铅系列材料，是一种比较有前途的铁电陶瓷材料。但是由于Bi容易挥发，在材料制备和使用过程中容易成铋空位，从而形成氧空位，影响材料的抗疲劳性能和铁电性能。为了满足实际应用的需要，需要提高和改进该系列材料的铁电性能，因此，国内外研究者在改变制备途径、制备方法以及调整材料的组分等方面作了不少研究。

1.2弛豫型铁电陶瓷

弛豫型铁电体（relaxation ferroelectrics，简称RF）是指顺电—铁电转变属于弥散相变的一类铁电材料，它同时具有铁电现象和弛豫现象。与典型铁电体相比，弛豫型铁电体的一个典型特征是复介电常数（ε*(ω) =ε'(ω) −ε"(ω)，ω为角频率）的实部ε'(ω)随温度变化呈现相对宽且变化平缓的峰，其最大ε'(ω)值对应的温度T m随ω的增加而向高温移动。该特征与结构玻璃（structureglass）化转变、自旋玻璃（spin glass）化转变的特征极为相似。所以，弛豫型铁电体又被称为极性玻璃（polar glass），相应的弛豫铁电相变又被称为极性玻璃化转变。迄今为止，虽然人们对弛豫铁电相变进行了大量的实验测量和理论探索，但是仍然没有被普遍接受的弛豫铁电相变模型，所以对弛豫铁电相变机制的研究一直是该领域研究的热点问题之一。另外，现有的一些弛豫铁电体具有优良的铁电、压电和热释电性能，因而具有广泛而重要的应用。因此，对现有弛豫铁电体性能的优化以及新型弛豫铁电体的合成，将具有重要的潜在应用价值，同时也是该领域的另一热点问题。SrTiO3是一种无污染的功能陶瓷材料，因此以SrTiO3为基础合成的新材料有产业的优势。研究发现在SrTiO3中引入Bi离子产生了典型的铁电弛豫行为，并对其进行了介电谱测量，但是最低测量频率为100Hz，而一般认为，玻璃化转变的特征时间50～102s，所以在更低的频率范围内对极性玻璃体的介电谱测量，无疑对理解其玻璃化转变机制是有价值的。

1.3反铁电陶瓷

上世纪80 年代后期，具有大电致应变和大机电转换能力的PZST反铁电陶瓷作为换能器或大位移致动器有源材料方面的研究工作逐步出现。美国Pennsylvania大学材料研究所开展了PZST反铁电陶瓷作为大位移致动器有源材料应用的可行性研究工作，针对“方宽”型电滞回线的PZST 反铁电陶瓷进行了一系列改性优化，降低相变场强，增大纵向应变量，最大纵向应变量达到0.85%（相变场强为48 kV/cm，电滞宽度为20 kV/cm），指出“方宽”型电滞回线的反铁电陶瓷在交变电场下表现出严重的电滞损耗，因而不适于交变状态下应用[6]。