钙钛矿型弛豫铁电体
铁电材料的研究热点
铁电材料的研究热点摘要：铁电材料具有优秀的电学性能，其电子元件集成度高、能耗小、响应速度快。
目前研究者将铁电材料同其它技术相结合，使新诞生的集成铁电材料性能更为优秀。
本文介绍了有压电材料、储能用铁电介质材料、有机铁电薄膜材料、多铁性材料、铁电阻变材料的研究状况。
关键词：铁电；压电材料；铁电储能；有机铁电薄膜材料；多铁性材料；铁电阻变1 铁电材料的研究背景铁电体早在20世纪40年代就引起物理学界的关注，但由于大快铁电晶体材料不易薄膜化，与半导体和金属不相兼容，使其未能在材料和信息领域扮演重要的角色，随着薄膜技术的发展，克服了制备高质量铁电薄膜的技术障碍，特别是能在不同衬底材料上沉积高质量的外延或择优取向的薄膜，使铁电薄膜技术和半导体技术的兼容成为可能。
由于人工铁电材料种类的不断扩大，特别是铁电薄膜技术和微电子集成技术长足发展，也对铁电材料提出了小型化，集成化等更高要求，正是在这样的研究背景下，传统的半导体材料和陶瓷材料结合而形成新的叫交叉学科——集成铁电学（Integrated Ferroc-Icctrics）出现了，并由此使铁电材料及其热释电器件的研究开发呈现了两个特点：①是由体材料组成的器件向薄膜器件过渡；②是由分立器件向集成化器件发展。
集成铁电体是凝聚态物理和固态电子学领域的热门课题之一。
铁电材料有着丰富的物理内涵，除了具备铁电性之外，还具有压电性、介电性、热释电性、光电效应、声光效应、光折变效应以及非线性光学效应等众多性能，可用于制备电容器件、压力传感器、铁电存储器、波导管、光学存储器等一系列电子元件，铁电材料因其广阔的应用前景而倍受关注。
目前的铁电器件往往仅单独用到了铁电材料中的单一性能，如压电性或者热释电性。
将铁电材料中的性能综合在一起或者将铁点技术同半导体等其他技术结合在一起的集成铁电材料有着更为强大的功能。
铁电材料的研究进展主要包括[1]：①提高现有材料的单一性能，儒压电材料中准同型相界以及合适的晶格取向会大幅度提高压电系数。
《Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的弛豫与储能特性调控》范文
《Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的弛豫与储能特性调控》篇一一、引言随着现代电子技术的飞速发展，铁电材料因其独特的电性能和物理特性在微电子器件、传感器和储能器件等领域得到了广泛的应用。
Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜作为一种新型的铁电材料，具有优异的电性能和良好的稳定性，在铁电存储器、传感器和储能器件等领域具有巨大的应用潜力。
本文将重点探讨Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的弛豫与储能特性调控，为进一步优化其性能提供理论依据。
二、Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的弛豫特性Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的弛豫特性主要表现在其电性能随时间的变化。
在电场作用下，薄膜内部的极化过程会受到温度、频率和电场强度等因素的影响，导致其电性能发生弛豫现象。
为了研究这一现象，我们采用了多种实验手段，如介电谱、铁电测试等，对Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的弛豫特性进行了深入分析。
首先，我们通过介电谱测试得到了薄膜在不同温度和频率下的介电常数和介电损耗。
结果表明，随着温度的升高和频率的降低，薄膜的介电常数逐渐增大，而介电损耗则呈现出先减小后增大的趋势。
这表明在一定的温度和频率范围内，Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜具有良好的弛豫特性。
其次，我们利用铁电测试手段对薄膜的极化过程进行了研究。
结果表明，在电场作用下，薄膜内部的极化过程具有明显的滞后现象，即极化强度随时间逐渐增大并达到饱和状态。
这一过程与温度、频率和电场强度等因素密切相关，进一步证实了Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜具有良好的弛豫特性。
三、Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的储能特性调控为了进一步提高Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的储能性能，我们对其进行了多种调控手段的研究。
首先，通过改变薄膜的制备工艺参数，如沉积温度、气氛和退火时间等，可以有效地调控薄膜的微观结构和成分，从而影响其储能性能。
其次，通过引入掺杂元素或制备复合材料等方法，可以进一步提高薄膜的储能密度和效率。
铁电体的分类及制备技术
含铋层状结构
铋层状结构化合物是由二维的钙钛矿 和( Bi2O2)2+层按一定规则共生排列 而成. 化学通式为( Bi2O2)2+(Am1BmO3m+ 1)2-, 其中, A为B3+、 Pb2+、Ba2+、Sr2+、Ca2+、Na+、 K+、La3+、Y3+、U3+、Th4+等适 合12配位的+1、+2、+ 3、+ 4价离 12 +1 +2 + 3 + 4 子或由它们组成的复合离子,B为 Co3+、Cr3+、Zr4+、Ti4+、Nb5+、 Ta5+、W6+、M6+等适合于八面体 配位的离子或由它们组成的复合离子, m为整数, 称为层数, 即钙钛矿层的层 数, 其值可为1~ 5.以 CaBi4 Ti4O15 为例, ( Bi2O)2+为氧化铋 层,( CaBi2Ti4O13)2–为钙钛矿层, 在 钙钛矿层中A为 ( Ca2Bi2), B为Ti4, m= 4 右图为典型晶体结构示意图.
烧绿石型结构
烧绿石是矿物学上的一类矿物, 其通 用化学表达式为A2B2X6X′。其中, A 位可以容纳低价的离子半径为 01087—01151nm的阳离子(Bi , In, Tl , Pb2+,Sc, Cd, Hg2+, Ca, Sr, Mn2+,Sn2+或RE(镧系元素或Y)等) ; 而B位可以容纳有八面体配位的离子 半径在01040—01078nm的过渡金属 离子(Ru, Sn, Ti ,Mo, Mn, V, Ir, Te, Bi , Pb, Sb, Zr, Hf , Mg, Cu,Zn, Al , Cr, Ga, Rh等) ;烧绿石中的阴离子一 般是O2-、OH-、F-等[25, 26]。基于 离子尺寸和电荷考虑,烧绿石型结构 有两种公认的组成: (A3)2(B4+)2X6X′( Ⅲ—Ⅳ烧绿石)和 (A2+)2(B5+)2X6X′(Ⅱ—Ⅴ烧绿石)
电介质物理_西安交通大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年
电介质物理_西安交通大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年1.非线性光学效应仅存在于光强很高的情况答案:正确2.BaTiO3为位移型铁电体。
答案:正确3.电畴的形成是系统自由能取极大值的结果。
答案:错误4.铁电体中电畴不能在空间任意取向，只能沿晶体的某几个特定晶向取向，电畴所能允许的晶向取决于该种铁电体原型结构的对称性，即在铁电体的原型结构中与铁电体极化轴等效的晶向。
答案:正确5.自由晶体受热时热释电效应是第一类效应和第二类效应之和答案:正确6.热释电材料和铁电材料属于压电材料。
答案:正确7.经过极化处理后，铁电体的剩余极化强度是不稳定的且随时间而衰减，从而造成其介电，压电，热释电性质发生变化，这种现象就是铁电体的陈化。
答案:正确8.自发极化能被外电场重新定向的热释电晶体就是铁电体；铁电体的电畴结构受铁电体原型结构对称性的限制。
答案:正确9.铁电体的表观特征是具有电滞回线，描述了极化强度和电场强度之间的滞后关系，从该曲线可以直观观察到的两个物理量是剩余极化和矫顽场。
答案:正确10.具有自发极化的晶体称为热释电体，在温度变化时可以释放电荷，该效应与电卡效应互为逆效应。
答案:正确11.自发极化只存在具有单一极轴的点群中，共有21种。
答案:12.沿x3轴极化的压电陶瓷通过坐标变换后，有哪些独立分量（）答案:13.以下哪个材料不是铁电体或反铁电体材料（）答案:Al2O314.室温下将铁电四方BaTiO3陶瓷极化，其饱和极化强度与晶体自发极化强度的关系是（）。
答案:15.沿x3轴极化的压电陶瓷的弹性柔顺系数的独立分量为：s11、s12、s13、s33、s44、s55。
答案:错误16.应力张量【图片】与以下哪个应力张量等价（）答案:17.沿x3轴极化的压电陶瓷为4mm点群，属于四方晶系，则X3轴为四次轴绕X3轴进行四次旋转对称操作，则产生的下标变换关系为：1→2、2→-1、3→3。
答案:正确18.晶体中有8种宏观对称操作，共构成32种晶体学点群，其中11种晶体学点群具有对称中心，10种晶体学点群具有单一极轴。
(1-x)PST-xPZT铁电陶瓷的介电与热释电性能研究
(1-x)PST-xPZT铁电陶瓷的介电与热释电性能研究1蓝德均、江一杭、陈异、陈强、肖定全、朱建国*(四川大学材料科学与工程学院 四川成都 610064)E-mail: nic0400@摘要：以普通氧化物混合烧结法制备了高钙钛矿相的(1-x)PST-xPZT铁电弛豫陶瓷。
发现烧结温度和PZT掺入量对样品中的焦绿石相的存在影响很大。
样品的钙钛矿相成分随烧结温度升高而增加。
介电性能测试表明(1-x)PST-xPZT铁电弛豫陶瓷具有弥散型介电响应特征，(1-x)PST-xPZT铁电弛豫陶瓷的居里点T c和压电常数d33随PZT的掺入量的增加而增加。
室温下x=0.1的(1-x)PST-xPZT陶瓷样品的热释电系数可达到约15×10-8C/(cm2.K)。
关键词：PST－PZT陶瓷；弛豫铁电陶瓷；钙钛矿相；一步烧结制备1．引言钽钪酸铅Pb(Sc1/2Ta1/2)O3（PST）是一种热释电性能优良的典型B位复合铅基钙钛矿弛豫铁电陶瓷[1～3]。
由于纯PST的居里点较低（-5℃－25℃），需要在约1500℃的高温下烧结才能获得致密、具有钙钛矿结构且性能良好的材料[4]，从而限制了PST陶瓷材料的应用领域。
为了避免会引起陶瓷性能恶化的焦绿石相的形成，通常制备B位复合铅基钙钛矿驰豫铁电陶瓷的方法是先驱体法，即先将B位化合物或一种B位组份与一种A位组份[5]先行在高温下进行焙烧，制备出一种中间材料后再将组成陶瓷的其它组份化合物与前驱体混合后烧结得到所需的陶瓷。
但是有也研究表明[6,7]，用传统电子陶瓷制备工艺（以下简称一步法，One-Step-Sintering Method，OSSM），也可以制备出B位复合纯钙钛矿相陶瓷材料。
由于一般二元系的准同型相界（Morphotropic Phase Boundary,MPB）是一个范围很窄的区间，通过MPB成分的调整而达到调整材料综合性能的自由度很小；但对于三元或更多元系来说，其准同型相界一般是曲线甚至是曲面，故而在MPB附近进行组分调控可望进一步优化材料的综合性能[8]。
退火温度对
退火温度对Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3薄膜结构和性能的影响赵媛媛，胡广达（济南大学材料科学与工程学院，山东济南250022）摘要：采用溶胶-凝胶法在LaNiO3/Si(100)衬底上制备Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3薄膜，退火温度在500℃~650℃之间，主要研究了退火温度对薄膜结构和性能的影响。
结果表明：提高退火温度可以有效地抑制焦绿石相，改善薄膜的电学性能。
值得注意是我们得到纯钙钛矿相结构薄膜的退火温度降低至600℃，650℃下退火薄膜在10μm×10μm测试区域内的平均压电响应高达~180pm/V。
关键词：溶胶-凝胶法；Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3薄膜；退火温度；压电响应Effect of The Annealing Temperature on The Structure and Properties ofPb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3Thin FilmZHAO Yuanyuan,HU Guangda(School of Materials Science and Engineering,University of Jinan,Jinan250022,China) Abstract:The Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3thin films were deposited on LaNiO3/Si(100)substrates annealed at the temperature ranging from500℃to650℃by a sol-gel method.The effect of annealing temperature on the structure and properties of Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3thin film was investigated.The experimental results show that the pyrochlore phase can be effectively suppressed by increasing annealing temperature.At the same time,the electric properties of films were improved.The annealing temperature required to obtain the film with a pure perovskite phase can be lowered to600℃.It was noteworthy that the average piezoelectric coefficient of the film annealed at650℃in the10μm×10μm detected areas was as high as180pm/V.Key word:Sol-gel method;Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3thin film;annealing temperature;piezoresponsePb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)是一种典型的弛豫铁电体材料，它在准同型相界处具有大的压电响应和大的机电耦合系数，因此使其在微机电系统(MEMS)中有很大的应用前景[1]。
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。
压电陶瓷材料的研究进展与发展趋势_李环亭
现 代技术 陶瓷
的驱动力 , 更好的压电性能 。 P Z T 压电厚膜材料 已被广泛地应用于制造微型机械泵 、 厚膜微致动 器 、高频声纳换能器 、压力传感器 、微机械谐振 器 、压电加速度转换器 、 新型超声复合换能器 、 弹性波传感器 、 光纤调制器 、压电多层致动器 、 微 电子机械系统 ( M E M S ) 器件等
价值的压电陶瓷 , 这是压电材料的一个飞跃 。 1955 年 J a f f e 等在系统地研究各种钙钛矿型 化合物固 溶体 性能 和结 构 的基 础上 , 发 现 P Z T ( 锆钛酸铅 ) 压电陶瓷在因成分变化引起的所谓 准同型相界或同质异晶相变成分 ( X= 0. 52 ) 附 近 , 四方相和三角相共存 , 相变激活能低 , 只要在 微弱电场的诱导下 , 就能发 生晶相结构的 转变 , 极化处理时可以获得高压电活性和高介电常数 , 压电常数是 B a T i O 3的两倍 , 且其各方面的性能比 B a T i O 3陶瓷好得多 , 具有 耦合系数 大 、压电 性更 强、 居里温度高和可通过变更成分在很大范围内 调节性能以满足多种不同需要等优点 。 因此 , P Z T 压电陶 瓷一经出现就 得到各国研究者 的重 视 , 并迅速在电子 、光 、热 、声等领域得 到广泛的 应用 。 1965 年松下电器公司的研究人员在 P Z T 的 组成中加入 P b ( M g b O 铌镁酸铅 ) , 试制 1/ 3 N 2/3 ) 3( 成功了三元系压电陶瓷 , 取 名为 P C M 。 此后 ,
2009年第 2 期 ( 总第 120期 )
碍了极化 , 使 Q m提高 。 当掺杂量超过一定量时 , M n 除了进入晶格之 外 , 多余的部分聚 集在晶界 处 , 阻碍了晶粒的生长 , 降低了晶粒分 布均匀性 和晶粒强度 , Q 相对降低 。 m
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固相反应法
它具有高的介电常数、 大的电致伸缩效应、 无剩余极化、 理论上无滞后、 无老化、 响应快、 回零性好、 驱动功率小、 热稳定性好、 低膨胀等特点
弛豫铁电体的理论模型
成分起伏模型 有序无序模型 微畴-宏畴转变与超顺电态模型 玻璃化模型
有序-无序模型
这里针对复合钙钛矿型（A(B’B’’)O3)弛豫铁电体， 即钙钛矿型B位的有序无序性对性能的
Fig.3 Structure of ordered perovskite A(B1/2’B1/2’’)O3
Cross等总结的5条有关有序的经验判据:
在了大量实验数据的基础上得出了 ① A(B1/2’B1/2’’)O3型钙钛矿结构对有序的形成有 利; ② B′ B″= 1 1的有序结构易形成; ③ B′、B″离子的电荷相差越大, 越易形成有序; ④ B′、B″离子的半径差越大, 越易形成有序; ⑤A位离子半径越小, 对B位离子形成有序排列越有 利。
有序无序结构与介电弛豫的关系
Cross通过改变退火条件研究 了Pb(Sc1/2Ta1/2 )O3 (简称PS T) 材料的B晶位上的有序程度与 DPT的关系,实验表明, 弥散相 变与B位离子有序— 无序排 列密切相关, 无序态对应明显 的弥散相变( DPT) 现象, 而退 火处理后B晶位上Sc和Ta按1 1 排列的有序程度大大增强了, 随之而来的是DPT现象减弱直 至完全消失了。 Fig.PST的B位上的有序程度与DPT的关系
纯1:1
也存在有序微区，即B’:B’’=1：1，这就是说B’和 B’’离子形成的有序超结构和基体的化学配比完 全不同，基体材料中B’B’’之比为1:2，这就导致 了电荷不平衡区的存在。而随着有序微区的增 长，空间电荷产生的库仑力会阻碍有序微区的 继续长大。
合成
1.固相反应法 2.溶胶凝胶法 3.共沉淀法 4.水热合成法
Perovskite-structured relaxor ferroelectric ceramics
Relaxor ferroelectric ceramics compared with ordinary ferroelectrics
弥散相变Diffuse Phase Tr电常数与温度 关系曲线中介电 峰的宽化，高于 居里温度附近仍 存在自发极化和 电滞回线。
Fig.1
频率色散
在低温测介电峰 和损耗峰随测试 频率的提高而略 向高温方向移动， 而介电峰值和损 耗峰值分别略有 降低和增加。
Fig.2
优点
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A(B1/3’B2/3’’)O3型复合钙钛矿结构的有序-无序转变
混合1:1
纯1:1
混合1:1
( B’2/3 B’’1/3 ) 1/2 B’’1/2=1:1, 沿〈111〉方向( B’2/3 B’’1/3 ) 1/2和B’’1/2呈相间层状排列; 同时在( B’2/3 B’’1/3 ) 1/2所占据的层上, B’和B’’离子呈无序随机 分布.对这种混合1:1有序结构的A ( B’1/3 B’’2/3 )O3 型化合物可更加明了地写成A [ ( B’2/3 B’’1/3 ) 1/2 B’’1/2 ] O3。
铁电体的
铁电体
钨青铜矿 PbNb2O6型
钙钛矿 ABO3型
焦绿石矿 Cd2Nb2O7型
层片状 Bi4Ti3O12型
铁电弛豫体
钙钛矿型弛豫铁电陶瓷
结构（Bsite有序无序与性能的关系） 制备 应用
结构
A(B1/2’B1/2’’)O3型复合钙钛矿结构的有序-无序转变
Setter和Cross最早指出在 A(B1/2’B1/2’’)O3型钙钛矿结构 材料Pb(Sc1/2Ta1/2 )O3中，B位 离子形成的是B’ B’’= 1:1的有 序结构，即沿〈111〉方向B’ 和B’’离子相间呈1:1层状排列。