第六章-第三十讲(反铁电性)
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材料的铁电性能课件
电场强度继续增大，最后晶体 电畴方向都趋于电场方向，类 似于单畴，极化强度达到饱和， 这相当于图中C附近的部分。
图6.26 铁电电滞回线 (Ps为自发极化强度，Ec为矫顽力）
13
2 自发极化强度Ps 极化强度达到饱和后，再增
加电场，P与E成线性关系，将这 线性部分外推至E=0时的情况， 此时在纵轴P上的截距称为饱和 极化强度或自发极化强度Ps。 3 剩余极化强度
多晶体中每个小晶粒可包含多个 电畴。由于晶体本身取向无规则，所 以各电畴分布是混乱的，因而对外不 显示极性。
单晶体，各电畴间的取向成一定的 角度，如90 °，180 ° 。
图6.31 畴壁
7
4.电畴的形成及其运动的微观机理 （1）电畴的形成
以BaTiO3为例。离子位移理论，认为自发极化主要是由 晶体中某些离子偏离了平衡位置造成的。由于离子偏离了平衡 位置，使得单位晶胞中出现了电矩。电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，与此同时晶体结构 发生了畸变。
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
图6.34 BaTiO3的电滞回线 20
4)铁电体的应用
①由于它有剩余极化强度，因而铁电体可用来作信息 存储、图象显示。
目前已经研制出一些透明铁电陶瓷器件，如铁电存储和 显示器件、光阀，全息照相器件等，就是利用外加电场使 铁电畴作一定的取向，使透明陶瓷的光学性质变化。铁电 体在光记忆应用方面也已受到重视，目前得到应用的是掺 镧的锆钛酸铅（PLZT)透明铁电陶瓷以及Bi4Ti3O12铁电薄膜。
1)温度对电滞回线的影响 铁电畴在外电场作用下的“转向”，使得陶瓷材料具有宏
铁电性(材料物理性能)
原因 BaTiO3 陶 瓷 的 电 畴 结 构 与
BaTiO3单晶电畴结构的差异，导致两
者之间在铁电性质方面的微小差别。
2211
第二十一页，共24页。
3）电滞回线的意义
A.判定铁电体的依据
铁电材料在外加交变电场作用下都能形成电滞回线，不同材料和不同工艺条件对 电滞回线的形状都有很大的影响。
B.由于有剩余极化强度，因而铁电体可用来作信息存储、图象显示。
AO
铁电体微观结构的特点决定了它有许多特殊
E
的宏观性质，从而区别于普通电介质。
铁电电滞回线(Ps为自发极化强度，Ec为矫顽力）
1144
第十四页，共24页。
A.施加电场
➢沿电场方向的电畴扩展，变大；而
P
Ps B
C
与电场反平行方向的电畴则变小。极 化强度随外电场增加而增加，如图中
oA段曲线。
Pr Ps Pr
压峰效应
如在BaTiO3中加入Bi2/3SnO3 ，其居里点几乎完 全消失，显示出直线性的温度特性可认为其机理是 加入非铁电体后，破坏了原来的内电场，使自发极 化减弱，即铁电性减小。
压峰的目的 为了降低居里点处的介电常数的蜂值，即降低ε-T非线性，也使工
作状态相应于ε-T平缓区。
2244
第二十四页，共24页。
顺电性晶体与铁电性晶体的转变温度称为铁电居里点t时铁电相转变为顺电相电滞回线消失这时p与e一般有线性关系p二铁电体的居里外斯定律居里点附近居里外斯定律为忽略12指铁电体的微观结构性质以及因此而可能显示出来的宏观性质指铁电体的微观结构性质以及因此而可能显示出来的宏观性质电滞回线电畴结构自发极化以及相应的晶胞形变自发应变居里点居里外斯定律等
+
BaTiO3单晶电畴结构的差异，导致两
者之间在铁电性质方面的微小差别。
2211
第二十一页，共24页。
3）电滞回线的意义
A.判定铁电体的依据
铁电材料在外加交变电场作用下都能形成电滞回线，不同材料和不同工艺条件对 电滞回线的形状都有很大的影响。
B.由于有剩余极化强度，因而铁电体可用来作信息存储、图象显示。
AO
铁电体微观结构的特点决定了它有许多特殊
E
的宏观性质，从而区别于普通电介质。
铁电电滞回线(Ps为自发极化强度，Ec为矫顽力）
1144
第十四页，共24页。
A.施加电场
➢沿电场方向的电畴扩展，变大；而
P
Ps B
C
与电场反平行方向的电畴则变小。极 化强度随外电场增加而增加，如图中
oA段曲线。
Pr Ps Pr
压峰效应
如在BaTiO3中加入Bi2/3SnO3 ，其居里点几乎完 全消失，显示出直线性的温度特性可认为其机理是 加入非铁电体后，破坏了原来的内电场，使自发极 化减弱，即铁电性减小。
压峰的目的 为了降低居里点处的介电常数的蜂值，即降低ε-T非线性，也使工
作状态相应于ε-T平缓区。
2244
第二十四页，共24页。
顺电性晶体与铁电性晶体的转变温度称为铁电居里点t时铁电相转变为顺电相电滞回线消失这时p与e一般有线性关系p二铁电体的居里外斯定律居里点附近居里外斯定律为忽略12指铁电体的微观结构性质以及因此而可能显示出来的宏观性质指铁电体的微观结构性质以及因此而可能显示出来的宏观性质电滞回线电畴结构自发极化以及相应的晶胞形变自发应变居里点居里外斯定律等
+
铁电材料和反铁电材料
05
CATALOGUE
铁电材料与反铁电材料的前沿研究
多铁性材料的研究
多铁性材料是指同时具有铁电性和磁性的复合功能材料，其研究主要集中在探索 新型多铁性材料、提高材料的性能以及开发多铁性材料在电子器件和存储器等领 域的应用。
目前，科研人员正在研究如何通过合成和制备技术，获得具有优异性能的多铁性 材料，如高居里温度、高自发极化、低损耗等特性，以满足实际应用的需求。
性能优化与改性
铁电材料的性能优化
通过调整材料的化学组成、制备工艺和后处理方法，可以显 著提高铁电材料的各项性能指标，如自发极化、机电耦合系 数和居里温度等。这些优化措施有助于扩大铁电材料在电子 、信息、能源等领域的应用范围。
反铁电材料的性能改进
与铁电材料类似，反铁电材料的性能也可以通过优化合成工 艺和调整化学组分来提高。例如，通过引入掺杂元素或改变 晶体结构，可以增强反铁电材料的稳定性、提高其抗疲劳性 能和降低漏电流等。
铁电材料在电场作用下发生形变，形变量 与电场强度之间呈线性关系。
压电性
热电性
铁电材料在压力作用下产生电荷，电荷量 与压力之间呈线性关系。
铁电材料在温度梯度作用下产生电荷，电 荷量与温度梯度之间呈线性关系。
铁电材料的应用
传感器
利用铁电材料的压电性和热电性 等特点，制作出各种传感器，用 于测量压力、温度、加速度等物
03
CATALOGUE
铁电材料与反铁电材料的比较
结构比较
铁电材料
具有自发极化，在一定温度范围 内表现出电偶极矩的晶体。常见 的铁电材料有钛酸钡、锆钛酸铅 等。
反铁电材料
在一定温度范围内表现出相反的 电偶极矩，即反铁电态的晶体。 常见的反铁电材料有硫酸铵、硫 酸钠等。
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。
反铁电体电滞回线形状特点
反铁电体电滞回线形状特点1.引言1.1 概述概述部分的内容可以包括对反铁电体和电滞回线形状特点的简要介绍。
反铁电体是一种特殊的电性材料，具有非常独特的电滞回线形状特点。
在外加电场的作用下，反铁电体会出现明显的电滞现象，即在电场的变化过程中，其极化强度呈现非线性的变化趋势。
与铁电体相比，反铁电体不仅在电场的变化方向上有电滞现象，而且在反向电场下也会出现电滞现象。
反铁电体的电滞回线形状特点是其极化强度与外加电场之间的关系。
常见的反铁电体电滞回线形状特点包括S形、M形和P形等。
S形的电滞回线形状特点表现为在电场升高后，极化强度先是缓慢上升，然后急剧上升，最后趋于饱和。
M形的电滞回线形状特点表现为在电场升高过程中，极化强度先是缓慢上升，然后下降，再次上升，最后趋于饱和。
P形的电滞回线形状特点表现为在电场升高后，极化强度先是缓慢上升，然后急剧上升，最后趋于饱和，而在电场减小的过程中，极化强度则保持不变。
对于反铁电体电滞回线形状特点的研究具有重要的科学意义和应用价值。
了解反铁电体的电滞回线形状特点可以揭示其内部极化机制，为材料的设计和应用提供指导。
此外，反铁电体的电滞回线形状特点还可以用于存储器件、传感器和电场调控器件等领域的应用，具有广泛的市场前景。
本文将系统地探讨反铁电体电滞回线的形状特点，通过对已有研究成果的综述和分析，总结出其常见的形状特征，为进一步的研究和应用提供依据。
同时，对未来的研究方向和展望进行探讨，期望能够推动反铁电体研究领域的发展，为相关领域的技术创新和应用开发做出贡献。
1.2 文章结构文章结构部分的内容可以从以下几个方面进行叙述：首先，介绍文章的整体结构。
可以简要描述文章分为引言、正文和结论三个主要部分，并说明每个部分的重点内容。
引言部分主要概述了反铁电体电滞回线形状特点的研究背景和意义，正文部分详细介绍了反铁电体的定义以及电滞回线的形状特点，结论部分对反铁电体电滞回线形状特点进行总结，并展望了未来的研究方向。
铁电和反铁电以及钙钛矿结构的概念
,
汇报人：
CONTENTS
PRT ONE
PRT TWO
铁电：具有自发极化且在外加电场作用下极化方向会发生改变的材料。 反铁电：具有自发极化但在外加电场作用下极化方向不会发生改变的材料。 铁电材料：如钛酸钡、铌酸锂等。 反铁电材料：如铌酸锂、钛酸钡等。
铁电性：材料在电场作用下产生极化且极 化方向与电场方向一致
铁电、反铁电和钙钛矿结构之间的相互联系还可以通过实验和理论研究来进一步探索和揭示。
添加标题
铁电材料：具有自发极化可用于制造压电陶瓷、铁电存储器等
添加标题
反铁电材料：具有反铁电特性可用于制造反铁电存储器、反铁电晶体管等
添加标题
钙钛矿结构：具有光电特性可用于制造太阳能电池、发光二极管等
添加标题
铁电、反铁电和钙钛矿结构在材料科学中的相互关系：铁电和反铁电材料具有相似的结构钙 钛矿结构则是一种新型光电材料三者在材料科学中有着广泛的应用前景。
晶体结构：具有BX3型结构其中、B可以 是金属离子X可以是卤素离子
晶体对称性：具有立方对称性属于立方 晶系
晶体形态：通常为立方体或八面体具有 多晶型性
晶体颜色：颜色多样如蓝色、绿色、红色 等与、B、X离子种类和含量有关
晶体稳定性：具有较高的热稳定性和化 学稳定性但在空气中容易氧化
光电性能：具有优异的光电性能如光吸收、光发射、 光电导等可用于太阳能电池、光电探测器等领域
铁电材料：具有自发极化可用于制造存储器、传感器等电子设备
反铁电材料：具有反铁电特性可用于制造高性能电子器件
钙钛矿结构：具有优异的光电性能可用于太阳能电池、LED等领域
铁电、反铁电和钙钛矿结构在电子学中的应用：三者结合可以制造出高性能、多功 能的电子设备如多功能传感器、高性能存储器等。
汇报人：
CONTENTS
PRT ONE
PRT TWO
铁电：具有自发极化且在外加电场作用下极化方向会发生改变的材料。 反铁电：具有自发极化但在外加电场作用下极化方向不会发生改变的材料。 铁电材料：如钛酸钡、铌酸锂等。 反铁电材料：如铌酸锂、钛酸钡等。
铁电性：材料在电场作用下产生极化且极 化方向与电场方向一致
铁电、反铁电和钙钛矿结构之间的相互联系还可以通过实验和理论研究来进一步探索和揭示。
添加标题
铁电材料：具有自发极化可用于制造压电陶瓷、铁电存储器等
添加标题
反铁电材料：具有反铁电特性可用于制造反铁电存储器、反铁电晶体管等
添加标题
钙钛矿结构：具有光电特性可用于制造太阳能电池、发光二极管等
添加标题
铁电、反铁电和钙钛矿结构在材料科学中的相互关系：铁电和反铁电材料具有相似的结构钙 钛矿结构则是一种新型光电材料三者在材料科学中有着广泛的应用前景。
晶体结构：具有BX3型结构其中、B可以 是金属离子X可以是卤素离子
晶体对称性：具有立方对称性属于立方 晶系
晶体形态：通常为立方体或八面体具有 多晶型性
晶体颜色：颜色多样如蓝色、绿色、红色 等与、B、X离子种类和含量有关
晶体稳定性：具有较高的热稳定性和化 学稳定性但在空气中容易氧化
光电性能：具有优异的光电性能如光吸收、光发射、 光电导等可用于太阳能电池、光电探测器等领域
铁电材料：具有自发极化可用于制造存储器、传感器等电子设备
反铁电材料：具有反铁电特性可用于制造高性能电子器件
钙钛矿结构：具有优异的光电性能可用于太阳能电池、LED等领域
铁电、反铁电和钙钛矿结构在电子学中的应用：三者结合可以制造出高性能、多功 能的电子设备如多功能传感器、高性能存储器等。
第六章铁电性能和压电性能_材料物理.
(a)
(b)
(c)
0.1m
0.1m
1.0m
多晶LiTaO3晶粒内箭尾型90电畴结构与曲流状180电畴结构
(a)
(b)
0.1m
0.2m
多晶LiTaO3晶粒内薄片状和箭尾型90电畴结构
(a)
(b)
0.4m
0.2m
多晶LiTaO3晶粒内90尖劈状畴与180曲流状畴
(a)
(b)
离子位移理论
正方结构BaTiO3中， Ti4+ 、O2-离子的位移情况 两 个 O2- 离 子 间 的 空 隙 大于 Ti4+ 离子的直径， 其在氧八面体内有位移 的余地，温度较高时 （大于120°C），离子 热振动能较大，因此 Ti4+ 离 子 接 近 周 围 6 个 O2- 离 子 的 几 率 相 等 ， 晶胞内不会产生电矩， 自发极化为0。 温度降低（小于 120°C）， Ti4+离子 热振动能降低，热振 动能特别低的 Ti4+ 不 足以克服 Ti4+ 和 O2- 离 子间的电场作用，就 有 可 能 向 某 一 个 O2离子靠近，发生自发 位 移 ， 使 这 个 O2- 离 子发生强烈的电子位 移极化。 晶体沿着这个 方向延长，晶 胞发生畸变， 晶体从立方结 构转变为四方 结构，晶胞中 出现了电矩， 即发生了自发 极化。
-----铁电体的最重要判据 -----铁电体具有许多独特性质的主要原因
热释电体 (Pyroelectrics)：具有自发极化的晶体--极性晶体 铁电体是热释电体的一个亚族
铁电态下，晶体的极化与电场的关系：电滞回线，铁电态 的一个标志。
Ps－饱和极化强度
Pr－剩余极化强度（remanent polarization）
第六章-第三十讲(反铁电性)
向有序，其偶极矩反向有序排列。
原点处偶极子
1
在
r 处电场为：
E
1
4
0
31
r5
r r
1
r3
+ 1
-
+
r
2
-
在r处置另一偶极子 2 ，则两个偶极子间互作用能:
W
E
2
1
4 0
3 r5
1
r2
r
1 2 4 0r 3
反铁电体
当 μ1 μ2 r
W11
21 2 4 0r 3
为极小值
+
μ2
-
+ 1
-
当
1
反平行
μ2
r
W11
21 2 4 0r 3
-
μ2
+
+
1
-
为极大值
反铁电体
当 μ1 μ2 r
W
1 2 4 0r 3
为极大值
+ +
1
r
μ2
-
-
当 1反平行 μ2 r
W
12 4 0r 3
为极小值
+
-
1
μ2
-
Байду номын сангаас
+
反铁电体
两个孤立偶极子，它们平行与r时，两偶极子平行排 列稳定；
两个孤立偶极子，它们垂直与r时，两偶极子反平行 排列稳定 ；
Ea E S1Pa S2 Pb
E为宏观平均电场
Eb E S1Pb S2 Pa
S1、S2为结构系数
反铁电体
• 对a和b两个子晶格本身而言，结构完全相同
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1 2 为极大值 W 3 4 0 r
+
1 2 为极小值 W 3 4 0 r
+
1
r
+-
+
反铁电体
两个孤立偶极子，它们平行与r时，两偶极子平行排
列稳定； 两个孤立偶极子，它们垂直与r时，两偶极子反平行 排列稳定 ； 三维晶格而言，对于简立方晶格反平行排列状态， 静电作用能最低。
反铁电体
当 μ1 μ2 r
21 2 为极小值 W11 3 4 0 r
+
μ2
当 1 反平行 μ2 r
21 2 W11 4 0 r 3
μ2
为极大值
-
+
+ +
1
1
-
-
反铁电体
当 μ1 μ2 r
当 1 反平行 μ2 r
晶体的自发极化与铁电性质
反铁电性
反铁电体与相变
当电介质晶体的晶胞自发极化出现时，相邻晶胞的电矩同向排列 而出现铁电性，相邻晶胞的电矩反向排列，形成两组反向极化的 晶胞，在宏观上对外不显示自发极化强度，没有电滞回线，在外 场的作用下，可以使其中反向排列的电矩取向反转，于是，所有 电矩同向排列。晶体的这种性质称反铁电性； 反铁电性与铁电体相同之处：晶体结构与同型的铁电体相近，温
1
r
0 r 0
1 S2
反铁电体，在居里点
2
γ1=γ时，两个子晶格在相同方向上产生自发极化， 相当于极性晶体; γ2=γ时，两个子晶格在反方向产生自发极化，相当 于反极性晶体。
反铁电体
γ2=γ时，有：
2E S1 S 2 Pa Pb
介电常数： P 2 0 r 0 0 E S1 S 2 对于铁电体：在居里点
S 2 Pa S1 Pb E
反铁电体
• 当外场E = 0时
Pa和Pb非零条件为：
S1 S
S2 S1
0
Pa S2 Pb S1
1 S1 S 2
2 S1 S 2
1
2
I. II.
Pa Pb
Pa Pb
反铁电体
反铁电晶胞：
• 反平行偶极子晶格A的单位晶胞不再是原来的简立方，在垂直于 偶极子轴向，晶格周期增加了一倍，形成超晶格结构，这种超晶 格结构可看成由两个子晶格套构而成，每一个晶格偶极子平行排
列，两套子晶格作反向排列。
• 设两个子晶格a和b，晶位a和b上的离子发生反向或同向位移，晶 体的总极化强度P为两子晶格极化强度Pa和Pb之和，作用在晶位a
E 1 31 r 1 5 r 3 4 0 r r
+
r
+
1
-
2
-
在 r 处置另一偶极子 2 ，则两个偶极子间互作用能:
1 3 1 2 1 r 2 r W E 2 5 4 0 r 4 0 r 3
度升高，反铁电体相变到顺电相结构，反向自发极化消失，居里
点TO处将出现反常，在相变温度TC以上，介电常数遵守居里— 外斯定律，在相变温度TC以下变成对称性较低的反铁电相。
电 滞 回 线
反铁电体
锆酸铅PbZrO3是有名的钙钛矿结构反铁电体，Pb2+离子反
向有序，其偶极矩反向有序排列。
原点处偶极子 1 在 r 处电场为：
和b上的有效电场Ea和Eb：
Ea E S1 Pa S 2 Pb Eb E S1 Pb S 2 Pa
E为宏观平均电场
S1、S2为结构系数
反铁电体
• 对a和b两个子晶格本身而言，结构完全相同
Ea Pa
Eb Pb
γ比例系数
S1 Pa S 2 Pb E