第十二章(压电与铁电)
压电和铁电材料
7.4 热电、压电和铁电材料根据固体材料对外电场作用的响应方式不同，我们可以把它们分成两类。
一类是导电材料，即超导体、导体、半导体和绝缘体，它们是以传导方式传递外界电场的作用和影响（可以是电子传导、空穴传导和离子传导）。
另一类固体材料则是以感应方式来传递外界电场的作用和影响，这类材料叫做介电材料或电介质材料。
电介质材料置于外电场作用下，电介质内部就会出现电极化，原来不带电的电介质，其内部和表面将受感应而产生一定的电荷。
电极化可以用极化强度P 表示（单位体积内感应的偶极矩），这种电极化可以分为电子极化、离子极化和取向极化。
有一类电介质即使无外电场的作用其内部也会出现极化，这种极化称为自发极化，它可用矢量来描述。
由于这种自发极化的出现，在晶体中形成了一个特殊的方向，具有这种特殊结构的电介质，每个晶胞中原子的构型使正负电荷重心沿这个特殊方向发生相对位移，形成电偶极矩，使整个晶体在该方向上呈现了极性，一端为正，一端为负，这个特殊方向称为特殊极性方向，在晶体学中通常称为极轴。
而具有特殊极性方向的电介质称为极性电介质。
晶体的许多性质，诸如介电、压电、热电和铁电性，以及与之相关的电致伸缩性质、非线性光学性质、电光性质、声光性质、光折变性质等，都是与其电极化性质相关的。
晶体在外电场作用下，引起电介质产生电极化的现象，称为晶体的介电性。
7.4.1热电材料1. 热电效应(1) 塞贝克(Seebeck)效应当两种不同金属接触时，它们之间会产生接触电位差。
如果两种不同金属形成一个回路时，两个接头的温度不同，则由于该两接头的接触电位不同，电路中会存在一个电动势，因而有电流通过。
电流与热流之间有交互作用存在，其温度梯度不但可以产生热流，还可以产生电流，这是一种热电效应，称为塞贝克效应，其所形成的电动势，称为塞贝克电动势。
塞贝克电动势的大小既与材料有关，也是温度差的函数。
在温度差∆T较小时，塞贝克电动势E AB与温度差呈线性关系，即E AB=S AB∆T，式中S AB为材料A和B的相对塞贝克系数。
压电铁电物理-王春雷yd0909精品文档
4
正压电效应
当压电晶体受到外力而发生形变时，在它的 某些表面上出现与外力成线性比例电荷积累， 这个现象称为压电效应。 是一种线性响应！
9
现分别进行如下实验
（1）当晶片受到沿x轴方向的力Fx作用时，通 过冲击电流计，可测出在x轴方向电极面上 的电荷q(1)1。并发现x轴方向电极面上的电 荷密度（q(1)1/llw）的大小与x轴方向单位面 积上的力（Fx /llw）成正比，即：
q
(1 1
)
Fx
ll w
ll w
0 0 0 0
E E E
1 2 3
0
35
从上式可以看出：
（1）对于石英晶体不是在任何方向上都存在逆压 电效应，只有在某些方向，在某些电场作用下， 才能产生逆压电效应。例如，当x方向电场分量E1 作用时，可产生压电形变x1和x2以及压电切应变 x4。又如当z方向电场分量E3作用时，晶体不会产 生任何形变。
D1 d11
D2
d21
D3 E d31
d12 d22 d32
d13 d23 d33
d14 d24 d34
d15 d25 d35
d16 d26 d36
X2 X3 X4 X5 X6
36
（2）逆压电常数与正压电常数相同，并且一一 对应。
第五部分-(第十二章)材料的压电性能
五 热释电性与铁电性
1 自发极化的微观机制 （a）极性轴导致的自发极化 （b）热运动引起的自发极化
（a）极性轴导致的自发极化
+
-
+
+++++
-
-
+
+
- -+ - - -
极 化 轴
C
+++++
-
-
纤锌矿(ZnS)结构在（010）上投影
正
电+
荷- -
-
与
固
负
有
电+ + 偶 +
荷- - 极 -
层
子
交
替+ +
[ ]dij d21
d 22
d 23
d 24
d 25d 26来自000 d24 0 0
d31 d32 d33 d34 d35 d36 d31 d32 d33 0 0 0
0 0 0 0 d24 0
0
0
0 d24 0 0
d31 d31 d33 0 0 0
BaTiO3陶瓷
二、 压电振子的谐振特性
U mm Uee
各个能量的含义：U mm
1 2
SiEj TiTj
U ee
1 2
T mn
Em
En；U
me
1 2
d mj
EiT j
工程技术上的含义
正压电效应：K
2
机械能转变的电能 输入的机械能
逆压电效应：K 2
电能转变的机械能 输入的电能
K 2并非能量转换效率： 因为在压电体中未被转化是以机械能或电能 的形式可逆的存储在压电体内的那部分能量
简述铁电,压电和热电纳米材料的催化研究
简述铁电,压电和热电纳米材料的催化研究
铁电催化研究主要关注铁电材料在催化反应中的应用。
铁电材料是一类具有铁电性质的材料，可以通过外加电场来改变其结构和性质。
铁电材料具有许多特殊的性质，如高电极化强度、快速反应速度等，使其在催化领域具有很大的潜力。
压电催化研究关注压电材料在催化反应中的应用。
压电材料是一类具有压电效应的材料，可以通过外加压力来改变其形状和性质。
压电材料具有良好的机械性能和灵活性，可以用于设计和调控催化反应中的活性位点和反应途径，提高催化效率和选择性。
热电催化研究关注热电材料在催化反应中的应用。
热电材料是一类具有热电效应的材料，可以将热能转化为电能或反之。
热电材料具有优异的热电性能，可以用于催化反应中的能量转换和催化剂的自供能。
热电催化研究旨在利用热电材料的热电效应，提高催化反应的能量利用率和催化效率。
以上三种纳米材料的催化研究，主要关注如何利用纳米尺寸效应和特殊性质改变催化反应的动力学和热力学过程，以实现更高效、更可控和更环保的催化反应。
这些研究在能源转化、环境保护、化学合成等领域具有重要的应用前景。
铁电性与压电性PPT课件
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等轴晶系（大于120oC） ： 晶胞常数：a=4.01A 氧离子的半径：1.32A 钛离子的半径： 0.64
钛离子处于氧八面体中， 两个氧离子间的空隙为：4.01－2× 1.32= 1.37 钛离子的直径：2× 0.64= 1。28
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结果： 氧八面体空腔体积大于钛离子体积，给钛离子位移的余地。 较高温度时，热振动能比较大，钛离子难于在偏离中心的某一个位置上固定下来， 接近六个氧离子的几率相等，晶体保持高的对称性，自发极化为零。 温度降低，钛离子平均热振动能降低，因热涨落，热振动能特别低的离子占很大比 例，其能量不足以克服氧离子电场作用，有可能向某一个氧离子靠近，在新平衡位 置上固定下来，并使这一氧离子出现强烈极化，发生自发极化，使晶体顺着这个方 向延长，晶胞发生轻微畸变，由立方变为四方晶体。
d:压电常数 逆压电效应的应变与施加的电场强度有如下关系：
S=dE d:压电常数 注：正、逆压电效应的压电常数一样。
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2. 压电材料的性能
（1）机电偶合系数 （2）机械品质因数 （3）频率常数 （4）压电常数 （5）弹性模量、相对介电常数、居里温度等。 介电质的基本性能：介电常数、介电损耗等 特殊应用要求的性能：如：滤波器要求谐振频率稳定性高
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－－－－－－－
+ + ++ + 极化方向
－－－－－－－ + + ++
－－－－－
+ 极化方向
++++++
自+由电荷
－－－－－
－－－－－－－－－－－－
++++++ +
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。
材料性能知识点——磁电光压电铁电部分
注：粗体为重点或要求掌握的内容，斜体为拓展延伸内容，其余为基本内容。
一、磁学性能1、材料磁性的本源是由材料内部电子循轨和自旋运动产生的。
任一封闭电流都具有磁矩。
2、材料磁性分类——抗磁性物质：使磁场减弱的物质；顺磁性物质：使磁场略有增强的物质；铁磁性物质：使磁场强烈增加的物质。
材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相反的称为抗磁性；材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相同的称为顺磁性。
材料的抗磁性来源于电子循轨运动时受外加磁场作用所产生的抗磁矩。
材料的顺磁性主要来源于原子(离子)的固有磁矩。
铁磁性来源于原子未被抵消的自旋磁矩和自发磁化。
3、抗磁性、顺磁性、铁磁性特点：抗磁与顺磁性材料的磁化强度与磁场强度之间均呈直线关系，磁化率常数很小，但磁化方向相反，而且当初去外磁场之后，仍恢复到未磁化前的状态，及存在磁化可逆性。
铁磁性不存在直线关系，也不是可逆的，去处外磁场，不恢复未磁化前的状态。
4、原子内层电子交互作用其积分常数A＞0，使彼此的自旋磁矩同向排列形成自发磁化；铁、钴、镍因其交换积分常数A具有较大的正值，有较强的自发磁化倾向；还有一些稀土元素虽然也具有自发磁化倾向，但其A值很小，相邻原子间的自旋磁矩同向排列作用很弱，原子振动极易破坏这种同向排列，即它们的居里点很低，所以在常温下为顺磁性。
5、磁化曲线和磁滞回线1）磁化曲线：第一部分，在微弱的磁场中，磁感应强度B和磁化强度M均随外磁场强度H的增大缓慢增大。
磁化是可逆的。
第二部分：随外磁场强度H继续增大，磁感应强度B和磁化强度M急剧增高，磁导率μ增长非常快，并且出现极大值。
磁化是不可逆的。
第三部分：随外磁场强度H进一步增大，B和M增大的趋势逐渐变缓，磁化进行得越来越困难。
磁导率减小，并趋向稳定。
当磁场强度达到Hs时，磁化强度便达到饱和值，即外磁场强度再继续增大时，磁化强度不再变大。
而此时磁感应强度（B=M+H）仍随外磁场强度而增大。
磁化强度的饱和值称为饱和磁化强度，M S；与其对应的磁感应强度称为饱和磁感应强度，B S。
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。
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释放电荷
极化方向
正压电效应
－－－－－ +++++++ + + ++ +
逆压电效应
正压电效应的电位移与施加的应力有如下关系：
Dm dmjTj Dm emjS j
逆压电效应的应变与施加的电场强度有如下关系：
Si dmiEn Tj enj En
注：正、逆压电效应的压电常数一样。
二、压电振子与压电方程
(1) 谐振特性 压电振子：极化后的压电体。
谐振的产生：对压电振子施加交变电场，当电场频 率与压电体的固有频率一致时，产生谐振。
阻抗
反谐振
谐振
fm fn
fm1 fn1 fm2 fn2
频率
L1 C1
R
C0
压电振子的等效电路
等效电路的阻抗可表示为：
Z
j
C0
j 1 j
Re
jX e
式中，
f2
材料的压电性能与铁电性能
概述：
介电体 压电体
热释电体 铁电体
晶体的介电性：电场作用引起电介质产生极化的现象. P= (1－ o)E = o ( r- 1) E
压电效应：没有电场作用，由机械应力的作用而使电介质 晶体产生极化，并形成晶体表面电荷的现象。
热释电效应：由温度变化引起电介质的极化状态的改变， 使电介质对外显电性。
• 工程技术上，机电耦合系数常定义为：
K 2 电能输转入变的的电机能械能(逆压电效应) K 2 机械输能入转的变电的能电能(正压电效应)
（2）机械品质因数： 表征压电体谐振时因克服内摩擦而消耗的能量， 定义为谐振时压电振子内储存的电能与谐振时 每个周期内振子消耗的机械能之比。
Qm 2 (Ee / Em )
第十二章 材料的压电与铁电性
1、具有极性轴或本身具有自发极化的结构
- -+ - - -
+
+++++
-
-
+
正 电
+
荷- -
层
固
极 化 轴
与
有
负+
电 荷
-
+ -
偶 极 子
C
层
交
+++++
替+ +
-
-
排-
列
纤锌矿(ZnS)结构在（010）上投影
表示晶体极性链 的方法
12 .2 热释电与铁电性能
第十二章 材料的压电与铁电性
机械边界条件： • 机械自由 • 机械夹持
电学边界条件： • 电学短路 • 电学开路
三、 压电材料的主要参数
（1）机电耦合系数：表征压电体的机械能与电能相互 转换能力的参数，是衡量材料压电性强弱的重要参数 之一。定义为与压电效应相联系的压电能密度与机械
能密度和介电能密度乘积的几何平均值之比：
K Ume Umm Uee
钛酸钡 钛酸铅钙钛 锆酸铅矿型 钛锆酸铅 非钙钛矿型：
焦绿石、硫化镉、氧化 锌、氮化铝
（2） 应用
电声器：扬声器、送话筒、 水下通讯和探测：水声换能器、鱼群探测器
雷达中的陶瓷表面波器件 通讯设备：陶瓷滤波器 精密测量：压力计
红外技术：红外热电探测器 高压电源：变压器
12 .2 热释电与铁电性能
第十二章 材料的压电与铁电性
（3）压电常数：
是压电体把机械能转变为电能或把电能转 变为机械能的转换系数，压电常数越大， 表明材料弹性性能与介电性能之间的耦合 越强。
（4）频率常数：压电元件的谐振频率与沿振动 方向的长度的乘积为一常数，只与材料的性 质有关。
（5）弹性模量、相对介电常数、居里温度等。
四、压电材料及其应用 （1）材料
铁电性：在一定温度范围内具有自发极化，在外电场作用 下，自发极化能重新取向，电位移矢量与电场强度间的关
系呈电滞回线特征。
第一节 压电性能
一、 压电效应的基本原理
•压电效应：没有电场作用，由机械应力的作用而使电 介质晶体产生极化，并形成晶体表面电荷的现象。
•正压电效应：在极性晶体上施加压力、张力、切向力 时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两
端将出现正负电荷。 •逆压电效应：在极性晶体上施加电场引起极化，则将
产生与电场强度成比例的变形或机械应力。
+-
-
+
+-
+ -
-
+
+-
+- +- +
+-
未加应力
拉应力
压应力
－－－－－－－ + + ++ +
极化方向
自由电荷
－－－－－
－－－－－－－－－－－－ + + + + + + +
+ + ++ +
f
2 p
f
2 s
称为归一化因子；
f
2 s
2fC0R1称为归一化阻尼因子。
（2）压电振子的振动模式
薄片型
沿轴向振动
电 场
轮廓振动或 薄长片 径向振动
厚度振动
方
向
厚度切
变振动
长度振动 横向效应
切变振动：极化方向与电场方向垂直时产生的振动。 包括平面切变振动、厚度切变振动。
伸缩振动：极化方向与电场方向平行时产生的振动。 包括长度伸缩振动、厚度伸缩振动。
由热运动引起的自发极化的晶体，产生多畴，有居 里点和电滞回线等特性，这类晶体具有热释电性和 铁电性。
第十二章 教学基本要求第Biblioteka 二章 教学基本要求教学基本要求
一、理解什么是压电效应、正压电效应、逆压电效 应，了解描述压电性能的主要参数。
二、理解自发极化的概念，理解什么是铁电性、铁 电体的共同特性、铁电畴、影响铁电性能的主要因素。
三、理解什么是热释电效应，了解压电体、热释 电体和铁电体在晶体结构上的区别。
二、压电方程
• 压电方程：反映压电体力学量应力T、应变S和电 学量电场强度E、电位移D四个参数之间关系的方 程式。
D dT E
S sT dE
由于压电材料沿极化方向的性质与其它方向性质 不一样，所以其弹性常数、介电常数各个方向也
不一样，并且与边界条件有关。
四种不同的边界条件
由于边界条件和自变量的差异，压电方程具有不同 的形式。
2、由热运动引起的自发极化
自发极化主要是由晶体中某些离子偏离了平衡位置， 使单位晶胞中出现了偶极矩，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。
12 .2 热释电与铁电性能
第十二章 材料的压电与铁电性
两种极性（自发极化）晶体的比较：
由极化轴引起自发极化的晶体，这种晶体的内部电 场很强，外电场的作用并不能改变晶体的极化强度， 也不能改变其方向，所有质点的偶极矩都平行，大 部分是一个电畴。
一、自发极化及其微观机制
• 自发极化：在晶体中，如果晶胞中正负电 荷中心不重合，即每一个晶胞具有一定的 固有偶极矩，由于晶体构造的周期性和重 复性，晶胞的固有偶极矩便会沿同一方向 排列整齐，使晶体处于高度极化状态，这 种极化状态是在外电场为零时自发产生 的——自发极化。
类12型.2：热释电与铁电性能