与铁电、弛豫铁电相变及畴界有关的内耗和介电损耗
材料物理 名词解释
色心:晶体中引入的电子或空穴，通过静电作用被晶体中带有正、负有效电荷的点缺陷所俘获，形成多种俘获电子中心和俘获空穴中心，并随能级跃迁而产生新的吸收带。
由于一些中心的吸收带位于可见光范围内，可使晶体呈现出不同的颜色，因而称其为色心。
对称破缺是指具有一定对称性的结构在经历相转变的过程中，某些原有对称元素突变性丧失的现象表面弛豫是表面层点阵参数的略微变化，表现在表面与其下少数儿个原了层问距的变化上，其晶体结构基本上保持一致表面重构是表面层结构相对于体相发生很大的变化，一般出现表面超结构。
堆垛层错:正常堆垛顺序中引入不正常顺序堆垛的原了面而产生的一类缺陷，反相畴界:界面相邻两侧存在一非点阵平移，界面处由正常的配对状态转为非正常的配对状态而保持共格。
晶体学切变面:一些过渡金属氧化物及其复合氧化物中，金属离了与氧的化学计量比变化很大，在形成缺氧的非计量化学比晶体时，晶体的两部分沿某一晶面滑移，形成晶体学切变面。
格波:晶体中原子围绕其平衡位置不断振动，由于原子问存在相互作用，一定频率振动着的原子问产生确定的位相关系，从而在晶格上形成一种平面波，称为格波。
热应力由于相邻质点问相互作用具有一定的非线性，固体在温度升高时，相邻质点的平均距离增大，产生热膨胀。
若用刚性约束阻碍晶体膨胀，则会在晶体内部产生一种附加应力，这种由热膨胀引起的内应力即为热应力。
弹性模量是材料受力作用时应力与应变的比值，反映了材料内部原了问的结合强度，是材料的一个固有物性参数滞弹性:实际固体在外力作用下产生弹性形变，在撤去外力后，并非能像理想弹性体一样立即恢复，而是需要一定的恢复时问，则称这种固体的实际弹性性质为滞弹性蠕变:施加恒定外力作用下，物体应变随时问的延长而增加的现象; 晶格滑移:晶体受力时，晶体中的一部分相对于另一部分产生相对滑移的现象粘性流动:材料在在外力的作用下发生类似粘性液体流动的变形，其变形速度与剪应力成正比，与材料粘度成反比。
极化弛豫和介电损耗
动态介电常数也不同于静态介电常数。所 谓介质损耗，就是在某一频率下供给介质 的电能，其中有一部分因强迫固有偶极矩 的转动而使介质变热，即一部分电能以热 的形式而消耗。可见，介质损耗可反映微 观极化的弛豫过程。
D0 E0
sin()
0
0
由此可见，当频率接近于零时，1就等于静 态介电常数。
下面证明在介质中以热的形式所消耗的能 量与2（）有关。 因为电容器中的电流强度为：
d dD Id td t [ D 1s i tn ) D (2c o t)s](
其中为电容器板上的自由电荷面密度。
在单位体积内介质每单位时间所消耗的能
动态介电常数
在静电场下测得的介电常数称为静态介 电常数，在交变电场下测得的介电常数 称为动态介电常数，动态介电常数与测 量频率有关。前面主要介绍了在静电场 作用下的介电性质，下面介绍一下在交 变电场作用下的介电性质。
弛豫时间 relaxation time
因为电介质的极化强度是电子位移极化、 离子位移极化和固有偶极矩取向极化三种 极化机制的贡献。当电介质开始受静电场 作用时，要经过一段时间后，极化强度才 能达到相应的数值，这个现象称为极化弛 豫，所经过的这段时间称为弛豫时间。
因为介质损耗与电场强度的频率、温度以及 极化机制等都有关系，是一个比较复杂的问 题。介质损耗大的材料，做成元件质量也差， 有时甚至不能使用。所以介质损耗的大小， 是判断材料性能的重要参数之一。
注意:在某一频率范围的介质损耗小，并不 等于在所有频率范围内的介质损耗都小。
第六章-第二十八讲(铁电体与电畴 )
铁电体与电畴
热释电体与铁电体
➢ 热释电体有自发极化强度，即每个晶胞都具有大小相等的非零电 偶极矩，自发极化只能出现在晶体的某几个特定晶向上的一个方 向上，热释电体的自发极化强度很高，处于极度极化状态，外电 场即使是击穿电场，很难使热释电体自发极化沿着空间的任意方 向定向，但有少数热释电体，其自发极化强度矢量在外电场作用 下由原来取向转变到其它能量较低的方向，这种热释电体称铁电 体。
当反向电场重新下降并改变其方向时，与前面的过程相似，经由GH返回 到C点，完成整个电滞回线CDGHC，电场每变化一周，循环一次。
电滞回线
电滞回线
➢ 描述电滞回线的三个重要参数：
自发极化强度P S 矫顽电场强度EC
剩余极化强度P r
BaTiO3在室温下 P S = 0.26C/M2
BaTiO3在室温下 EC = 1.5×105V/M 温度升高，矫顽场下降 频率增加，矫顽场增大
➢ 相邻电畴的自发极化矢量往往首尾相连，以保持畴壁界面上自发极化强 度矢量的连续性，否则在畴壁上便有自由电荷积累。
➢ 畴结构取决于一系列复杂因素：例如晶体对称性，晶体中杂质和缺陷， 晶体的电导率，晶体的弹性和自发极化以及在制备过程中热处理，机加 工，样品几何形状等。
电畴的反转
➢ 铁电体的自发极化在外电场作用下反转时，晶体的电畴也要发生相应的 改变，电畴结构在外场作用下发生改变的过程称畴运动。
最大反转电流imax与反转时间ts是 等效的。
电 压 矩 形 脉 冲
极 化 反 转 波 型
无 极 化 反 转
电畴的反转
• 极化反转时的电流波形可用峰值电流或开关电流im和脉冲持续时间或开 关时间ts来测量。对BaTiO3而言，开关电流im与开关时间ts的关系
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。
极化弛豫和介电损耗课件
离子极化
材料中离子在外电场作用 下，发生相对位移，形成 感应电场的过程。
界面极化
由于材料表面或相界面的 存在，电荷分布不均匀， 形成感应电场的过程。
材料中的介电损耗机制
电导损耗
材料中载流子在外电场作用下， 发生迁移运动，引起能量损耗。
极化损耗
材料在极化过程中，发生弛豫现 象，引起能量损耗。
界面损耗
2
电子元件设计
在设计电子元件时，需要考虑元件的介 电性能和介电损耗。通过优化材料的选 择和结构设计，可以降低元件的介电损 耗，提高元件的性能和稳定性。
3
能源利用
在能源利用领域，如太阳能电池和燃料 电池中，通过优化材料的介电性能和介 电损耗，可以提高能源转换效率和设备 性能。
03
材料中的极化弛豫和介电损耗
数据清洗
去除异常值和噪声，确保数据的准确性和可靠性。
数据拟合
采用拟合函数对实验数据进行拟合，以获得更好的结果。
数据分析
通过数据分析方法，提取材料的介电性质参数，如介电常数、介电 损耗等。
结果解释和讨论
结果解释
根据实验结果，对材料的介电性质进行分析和解释。
结果讨论
对实验结果进行讨论，分析误差来源和不确定性因素，提出改进建议。
中或介质取向不均匀等，会导致局部区域产
偶极子会发生转向，这个过程称为松弛极化。
生热量，使介质温度升高，从而增大介电损耗。 松弛极化会随着频率的增加而增强，因此介
电损耗也会随之增大。
介电损耗的测量方法
频率扫描法
在一定频率范围内扫描样品，通 过测量样品在不同频率下的介电 常数和介电损耗，可以得出样品
的介电性能。
"The Electromagnetic Field." By L. M. Milne-Thomson, 4th ed., Macmillan & Co., Ltd., 1962.
铁电性实验报告-南京大学
铁电性实验报告-南京大学铁电薄膜铁电性能表征131120161 李晓曦一、引言铁电体是这样一类晶体:在一定温度范围内存在自发极化,自发极化具有两个或多个可能的取向,其取向可能随电场而转向.铁电体并不含“铁”,只是它与铁磁体具有磁滞回线相类似，具有电滞回线，因而称为铁电体。
在某一温度以上，它为顺电相，无铁电性，其介电常数服从居里-外斯（Curit-Weiss）定律。
铁电相与顺电相之间的转变通常称为铁电相变，该温度称为居里温度或居里点Tc。
铁电体即使在没有外界电场作用下，内部也会出现极化，这种极化称为自发极化。
自发极化的出现是与这一类材料的晶体结构有关的。
铁电体特点是自发极化强度可因电场作用而反向，因而极化强度和电场 E 之间形成电滞回线。
自发极化可用矢量来描述，自发极化出现在晶体中造成一个特殊的方向。
晶体中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位移，使电荷正负中心不重合，形成电偶极矩。
整个晶体在该方向上呈现极性，一端为正，一端为负。
在其正负端分别有一层正和负的束缚电荷。
束缚电荷产生的电场在晶体内部与极化反向（称为退极化场），使静电能升高。
铁电现象第一次发现是在1920年，由瓦拉赛尔发现外场可以使罗西盐的极化方向反转，但是铁电现象直到40年代初才得以被广泛研究。
如今铁电现象因为其独特性质得到了广泛的应用，而本实验就是为了初步探究本现象的物理性质。
本实验测量了铁电材料的电滞回线，并且改变电压测量了不同电压下的图像和矫顽力等数值。
作者又进一步对此现象进行了初步探究，研究了其相关机理。
二、实验目的1、了解什么是铁电体，什么是电滞回线及其测量原理和方法。
2、了解非挥发铁电随机读取存储器的工作原理及性能表征。
三、实验原理1、铁电体的特点（1）电滞回线铁电体的极化随外电场的变化而变化，但电场较强时，极化与电场之间呈非线性关系。
在电场作用下新畴成核长，畴壁移动，导致极化转向，在电场很弱时，极化线性地依赖于电场见图1,此时可逆的畴壁移动成为不可逆的，极化随电场的增加比线性段快。
首次发现驰豫铁电体中普遍存在热滞后效应
首次发现驰豫铁电体中普遍存在热滞后效应一、研究背景卡诺效应是指材料在绝热或等温条件下对磁场、电场、机械应力和压力等外界刺激的可逆热变化。
最近研究发现，在材料的相变附近发现了巨大的热效应，相变材料被认为是实现清洁且高效的固态制冷领域中最有希望的候选者。
为了开发用于固态制冷的相变材料，近20年来，人们采用直接和间接的方法对绝热温度变化和等温熵变化的热效应进行了深入的研究。
然而，材料另一个重要的参数-热滞后，该参数对于热循环材料的性能及应用至关重要，但未引起大家的广泛关注。
事实上，热滞后可能导致材料的热效应和相应设备的效率大幅降低，在实际应用中应尽可能减少甚至完全消除热滞后对材料热循环性能的影响。
二、研究成果在本研究中，作者对铁电聚合物热滞行为进行了充分的表征。
以聚偏氟乙烯（PVDF）及其共聚物为基体，通过测量电极化对加热和冷却过程依赖性，随着VDF含量的降低，铁电共聚物P（VDF-TrFE）中典型的铁电体从一级相变到二级相变。
此外，作者发现驰豫铁电体在热扫描期间表现出异常的负热滞后现象。
以二元/三元共聚物的共混物为研究对象，根据三元共聚物含量的变化，再现了从普通铁电体到弛豫铁电体的热滞后变化过程。
同时，还澄清了负热滞回线与电致热效应之间的关系。
三．本文亮点：1：本文首次发现驰豫铁电体中普遍存在热滞后效应。
2：热滞后效应的发现为发展高效固态制冷材料及设备提供了指导。
四、研究思路与具体研究结果讨论图1. 在100 Hz时，在P（VDF-TrFE）65/35 mol%共聚物中，在a）加热和b）冷却条件下测量P–E电滞回线。
c）由（a）和（b）导出的极化温度函数。
在P（VDF-TrFE）50/50 mol%共聚物的d）加热和E）冷却条件下，在100 Hz下测量P–E电滞回线。
f）根据（d）和（e）得出的极化温度函数。
P（VDF-Tr-FE）45/55mol%共聚物在g）加热和h）冷却时在100 Hz下测得的P–E电滞回线。
铁电材料介绍课件
Pb(B+21/2B+61/2)O3型 Pb(B+31/2B+51/2)O3型 Pb(B+32/3B+61/3)O3型 Pb(B1+41/2B2+41/2)O3型
Pb(Ti1/2Zr1/2)O3， Ba(Ti1/2Zr1/2)O3
PCMP
三：铁电体主要特征与物理属性
1. 2. 3. 4. 5. 6. 自发极化（Spontaneous polarization） 铁电畴 (Ferroelectric domain) 电滞回线(Hysteresis loop) 居里温度(Curie temperature,Tc) 介电反常(Dielectric anomalous) 重要物理效应
A1A2占据A位，满足条件： A位化合价= A1·x1+A2 ·x2=+2价 B1B2占据B位，满足条件： B位化合价= B1·y1+B2 ·y2=+4价
尝试写出一些钙钛矿化合物？？
PCMP
PCMP
A位变化形成的化合物：
(A1+2A2+2)TiO3型 (Sr,Ba)TiO3 (Mg,Zn)TiO3 (A+11/2A+31/2)TiO3型 (Na1/2Bi1/2)TiO3 (K1/2Bi1/2)TiO3
ABO3型钙钛矿结构
PCMP
ABO3型钙钛矿晶胞结构
PCMP
形成钙钛矿条件：
离子A、B、C的半径RA、RB、RO满足下列关系才能组成ABO3结构：
t = ( RA + RO ) /( 2 ( RB + RO ))
式中t为容差因子（0.9~1.1范围内）， A离子半径约为1.00~1.40Å， B离子半径约为0.45~0.75Å， O氧离子半径为1.32Å。