铁电体的三个基本特征
铁电与反铁电的比较
集成铁电体的研究
1. 铁电薄膜与半导体的集成称为集成铁电体，近年来广泛开 展了此类材料的研究。铁电存贮器的基本形式是铁电随机 存取存贮器。早期以为主要研究对象，直至年实现了的商 业化。与五六十年代相比，当前的材料和技术解决了几个 重要问题。一是采用薄膜，极化反转电压易于降低，可以 和标准的硅或电路集成；二是在提高电滞回线矩形度的同 时，在电路设计上采取措施，防止误写误读；三是疲劳特 性大有改善，已制出反转次数达5*1012次仍不显示任何疲劳 的铁电薄膜。
铁电体的研究进展
第一性原理的计算
现代能带结构方法和高速计算机的反展使得对 铁电性起因的研究变为可能。通过第一性原理 的计算，对BaTiO3、PbTiO3、KNbO3和LiTaO3等铁 电体，得出了电子密度分布，软模位移和自发 极化等重要结果，对阐明铁电性的微观机制有 重要作用。
尺寸效应的研究
随着铁电薄膜和铁电超微粉的发展，铁电尺寸 效应成为一个迫切需要研究的实际问题。近年 来，人们从理论上预言了自发极化、相变温度 和介电极化率等随尺寸变化的规律，并计算了 典型铁电体的铁电临界尺寸。这些结果不但对 集成铁电器件和精细复合材料的设计有指导作 用，而且是铁电理论在有限尺寸条件下的发展。
钛酸钡的晶体结构图和铁电相变图
典型的反铁电材料
1. NH4H2PO4型（包括NH4H2AsO4及氘代盐等 ）； 2. （NH4）2SO4型（包括NH4HSO4 及NH4LiSO4等 ）； 3. （NH4）2H3IO6型（包括Ag2H3IO6 等）； 4. 钙钛矿型（包括NaNbO3、PbZrO3、PbHfO3、Pb
铁电体具有哪些特性？
铁电体具有哪些特性？根据量子力学定律，电子表现为粒子或波。
与水库的墙壁类似，“静电势墙”可以用来将电子限制在所需的空间区域，物理学家称之为“量子畜栏”。
限制电子使物理学家可以和它们一起工作，就像“盒子里的粒子”在本科水平的量子力学中练习一样。
但是含有电子的材料所产生的对称性也可以用来限制它们，而不需要使用大的势垒。
事实上，在原子厚度的所谓“量子材料”中，电子动量可以变得非常特殊。
在热释电晶体中，有若干种点群的晶体不但在某温度范围内具有自发极化，且自发极化有两个或多个可能的取向，在不超过晶体击穿电场强度的电场作用下，其取向可以随电场改变，这种特性称为铁电性，具有这种性质的晶体称为铁电体。
大量实验表明，描述铁电体的物理性质(如极化强度、热释电系数、压电常数等)与外电场E之间的滞后关系曲线就是电滞回线(ferroelectrichysteresis),类似于铁磁体的磁滞回线。
除此之外，铁电体与铁磁体在许多其他物理性质上也是具有一一相对应的类似，如电畴对应磁畴，顺电铁电相变对应于顺磁-铁磁相变，电矩对应磁矩，所以历史上就将这类具有电滞回线的晶体称为铁电体。
铁电体的共同特性为：1、自发极化铁晶体管是电介质中一类特别重要的介晶体管。
电介质的特性是：他们以感应而非以传导的方式传播电的作用与影响。
按照这个意义来说，不能简单的认为电介质就是绝缘体。
在电介质中起主要作用的是束缚着的电荷，在电的作用下，他们以正、负电荷着重不重合的电极化方式传递和记录电的影响。
而铁晶体管是-------即使没有外加电场，也可以显现出电偶极距的特性。
因其每单位晶胞带有电偶极矩，且其极化率与温度有关。
2、介电常数当温度高于某一临界温度时，晶体的铁电性消失，并且晶格亦发生转变，这一温度是铁电体的居里点。
由于铁电性的出现或消失，总伴随着晶格结构的改变，所以这是个相变过程。
当晶体从非铁电相(称顺电相)向铁电相过渡时，晶体的许多物理性质皆呈反常现象。
铁电材料
Company Logo
自发极化
❖ 在没有外电场作用时，晶 体中存在着由于电偶极子 的有序排列而产生的极化 ，称为自发极化。
1、 电畴 ferroelectric domain
铁电体内自发极化相同的小区域称为电畴，～10μm；
电畴与电畴之间的交界称为畴壁
两种：90 畴壁和180 畴壁
电滞回线 hysteresis loop
铁电体的定义
❖ 铁电体的定义：指在温度范围内具有自发极 化且极化强度可以因外电场而反向的晶体。
❖ 铁电体具有很多电畴且具有电滞回线。因此， 凡具有电畴和电滞回线的介电材料就称为铁 电体。
❖ 铁电体的晶体并不含有铁，铁电体常被称为 息格毁特晶体。
铁电体的主要特征值
1. 自发极化 2. 电 畴 3. 电滞回线 4. 居里温度 5. 介电反常
❖ 居里温度Tc是铁电相与顺电相的相转变温度， 当T>Tc时，铁电现象消失，处于顺电相。当 T<Tc时，铁电体处于铁电相，当T=Tc时发生 相变。铁电相是极化有序状态，顺电相则是极 化无序状态。而Tc称为居里点。
介电反常
❖ 在弱电场作用下铁电体的介电性能 可用各向异性介电常数ε来描述。ε可 分为两个部分：其中一部分由各个畴 的介电性能提供，这部分直到远红外 频率都不依赖于外电场的强度和频率 。另一部分与外电场作用下电畴结构 的变化有关，它强烈地依赖于电场强 度、频率和晶体的温度，而且与加外 电场时电畴的原始结构有关。对于单 轴铁电单晶体例如RS和KH2PO4， 在垂直于铁电轴方向的介电常数ε随温 度的变化并不十分显著；平行于铁电 轴方向的介电常数ε则随温度变化很大 ，在居里点附近其相对值可迅速增大 至104～105数量级；这种现象称为" 介电反常"。
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。
(完整PPT)第六章铁电性能和压电性能_材料物理(1)
含氢键的晶体（KDP、RS）和双氧化物晶体（BT、PT、LN） 按极化轴数目分类：
单轴铁电体（RS、KDP、LN）和多轴铁电体（BT） 按原型相有无对称中心分类：
压电性铁电体（KDP、RS）和非压电性铁电体（BT） 按铁电相变时原子运动特点分类：
有序－无序型相变的（RS）和位移型相变的（BT、PT、LN） 按居里－外斯常数C的大小分类：
二、BaTiO3自发极化的微观机理 1. BaTiO3的晶体结构
有氧八面体 骨 架 的 ABO3 晶格
BaTiO3的晶体结构
钙钛矿结构
2. BaTiO3的相变
顺电态
Tc 居里温度
铁电态
120°C
5°C
-80°C
立方晶系 四方晶系 斜方晶系
菱形结构
无自发极化 自发极化沿c轴 自发极化沿 自发极化沿
Ps－饱和极化强度 Pr－剩余极化强度（remanent
polarization） Ec－矫顽场强（corcive field）
~2KV/cm －~120KV/cm
按照Ec大小可将铁电体分为： 软铁电体－小Ec 硬铁电体－大Ec
电滞回线是铁电体的重要物理特征之一，也是判别铁电性的 一个重要判据。
3. 铁电体的分类
如: 在钙钛矿结构中，自发极 化起因于[BO6]中中心离子的 位移
[BO6]氧八面体
2. 铁电体的概念
铁电体是在一定温度范围内具有自发极化（必要条件） ，并且极化方向可随外加电场做可逆转动的晶体。
铁电体一定是极性晶体，但自发极化转动的晶体仅发生在某些特殊结 构晶体当中，在自发极化转向时，结构不发生大的畸变。
质
加电场E 成正比。
铁电体自发极化的原理
铁电体自发极化的原理1 铁电体的特点铁电体是一种具有自发极化特性的材料。
其特点在于，铁电体中的正负离子会呈现出一种特殊的排列方式，形成一个小的电偶极子。
这个电偶极子将会在暂态时间内被锁定，具有自发极化的能力。
由此带来的效应是，当外部电场作用到铁电体上时，电偶极子不仅不会倒转方向，反而会加速转动，使得极化效应更加显著。
2 铁电体的构造铁电体在构造上并不复杂。
它由一个晶胞组成，晶格中的阳离子和阴离子会按照一定的规律进行排列。
举例来说，如果我们将122型铁电体进行放大，就会看到其中的阳离子和阴离子是按照ABA的方式排列的。
这种排列方式，使得铁电体具有了正负离子之间的电偶极子效应。
3 铁电体的自发极化铁电体的自发极化可以被理解为一个平衡过程。
在铁电体形成时，正负离子之间的静电力会让它们呈现出一个相对平衡的状态。
当电场作用于铁电体时，外部的电场将会使得正负离子之间的力产生变化。
这种变化将会导致电偶极子的转动，并且会增大电偶极子的振幅，最终使得铁电体的极化程度增大。
这个过程一旦开始，就会不断自我强化，并且在电场消失后，电偶极子仍将继续保持已有的极化状态。
4 铁电体的应用铁电体由于其具有自发极化效应，一般用于制造智能材料和存储器等电子元件。
在智能材料方面，铁电体可以作为一个自适应系统，能够快速响应外界的刺激，作出相应的反应。
在存储器方面，铁电体可以用于制造非挥发性存储器，能够实现快速读取和写入数据的功能。
总的来说，铁电体的应用潜力十分广泛，并且正在迅速展开。
铁电体定义、特征和基础知识
Note:
铁电体与铁磁体在其它许多性质上也具有相 应的平行类似性，“铁电体”之名即由此而 来，其实它的性质与“铁”毫无关系。在欧 洲（如法国、德国）常称“铁电体”为“薛 格涅特电性”（Seignett-electricity）或 “罗息尔电性”（Rochell-electricity）。 因为历史上铁电现象是首先于1920年在罗 息盐中发现的，而罗息盐是在1665年被法 国药剂师薛格涅特在罗息这个地方第一次制 备出来。
至今已经发现的铁电晶体有一千多种。 它们广泛地分布于从立方晶系到单斜晶系 的10个点群中。 它们的自发极化强度从10-4C/m2到 1C/m2；它们的居里点有的低到-261.5C （酒石酸铊锂），有的高于1500C。
35
表6-1给出了部分铁电晶体的分子式、居里 点和自发极化强度。 对于晶格结构和特性差异如此之大的各种 铁电体，要对它们做完善的统一分类是不 容易的。 到目前。
铁电体定义、特征和基础知识
1
➢什么是铁电体， ➢开关特性，Sawyer-Tower 电路 ➢铁电体主要特征 ➢典型的铁电材料的主要物理性质 ➢铁电材料的分类， ➢反铁电体
2
基本定义
➢具有自发极化强度（Ps） Spontaneous Polarization
➢自发极化强度能在外加电场下反转, Switchable Ps
36
单轴铁电体，多轴铁电体
根据铁电体的极化轴的多少分为两类。一 类是只能沿一个晶轴方向极化的铁电体， 如罗息盐以及其它酒石酸盐，磷酸二氢钾 型铁电体，硫酸铵以及氟铍酸铵等。另一 类是可以沿几个晶轴方向极化的铁电体 （在非铁电相时这些晶轴是等效的），如 钛酸钡、铌酸钾、钾铵铝矾等。这种分类 方法便于研究铁电畴。
27
铁电体材料理论及性综述
一、铁电体材料相关概
4. 铁电材料的钙钛矿结构
念
A位变化形成的化合物：
(A1+2A2+2)TiO3型
(Sr,Ba)TiO3
(Sr,Ba)ZrO3
(Mg,Zn)TiO3
(Sr,Pb)ZrO3
(A+11/2A+31/2)TiO3型
(Na1/2Bi1/2)TiO3
(K1/2Bi1/2)TiO3
一、铁电体材料相关概
AT
即无论正向电场或反向电场均
使试样伸长（缩短）。
二、铁电体材料的特性
5、热释电效应 pyroelectric effect
在10种具有单一极轴的点群晶体中，绝缘 或半绝缘的极性晶体因为温度均匀改变而使晶体出 现结构上的电荷中心相对位移，使自发极化强度发 生变化，从而在两端产生异号的束缚电荷，这种现 象称为热释电效应。
念
b 复合钙钛矿结构化合物
（A1 x1 A2x2）（B1y1B2y2）O3型
B1B2占据B位，满足条件： y1，y2分别为B1离子和B2离子化学计量比:y1+y2=1
B位化合价= B1·y1+B2 ·y2=+4价
B1离子：低价阳离子，如Mg2+，Zn2+，Ni2+，Fe3+等 B2离子：高价阳离子，如Ti4+，Nb5+，Ta5+，W6+ 等
利用其压电特性，可以用于制作压电陶 瓷谐振器、滤波器、压电传感器、超声换能器、 压电变压器等电子元器件。
一、铁电体材料相关概
4. 铁电材料的钙钛矿结构
念
钙钛矿结构以BaTiO3的结构为代表，许多铁电、 介电、压电、光电以及高温超导材料都具有钙钛矿
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
铁电体的三个基本特征
铁电体是一种特殊的晶体材料，具有三个基本特征：铁电性、压电性和热释电性。
铁电性是铁电体最为显著的特征之一。
铁电体在外加电场的作用下，会出现极化现象，即在晶体内部会出现正负电荷分离的现象，形成电偶极矩。
这种极化是可逆的，即当外加电场消失时，电偶极矩也会消失。
铁电体还具有压电性。
当外力作用于铁电体时，晶体会发生形变，产生电荷分离，形成电偶极矩，从而产生电势差。
这种现象被称为压电效应。
压电效应是铁电体在传感器、振动器等领域中的重要应用。
铁电体还具有热释电性。
当铁电体受到温度变化时，晶体内部的电偶极矩也会发生变化，从而产生电势差。
这种现象被称为热释电效应。
热释电效应是铁电体在红外线探测器、温度传感器等领域中的重要应用。
铁电体具有铁电性、压电性和热释电性三个基本特征。
这些特征使得铁电体在电子器件、传感器、振动器等领域中有着广泛的应用前景。