铁电材料及其应用
铁电材料的应用及其性质
铁电材料的应用及其性质铁电材料是一种拥有电极化性能的材料，可以在外加电场的作用下产生极化效应，其具有许多重要的物理特性和应用价值。
铁电材料被广泛应用于电容器、传感器、压电材料、振动器、光伏器件、非易失性存储器等领域。
本文将深入探讨铁电材料的性质及应用。
一、铁电材料的性质1.电极化性能：铁电材料表现出极化现象，它们能够在电场的作用下，在晶体中产生电偶极矩，同时使晶体的电荷分布发生改变。
铁电材料的电极化是由于离子偏移所导致的，离子的偏移可导致电流产生。
经过组合后，可以得到电信号的输出。
2.压电性能：铁电材料具有压电性能，亦即当外力作用于铁电材料时，晶体结构会产生变化，而反过来当外加电场作用于铁电晶体时，也能感受到压力的变化。
其作用的原理是，当材料受到外力的作用时，内部离子的晶格结构也会产生变形，从而产生相应的电信号。
压电传感器就是利用这种原理来实现高精度测量。
3.热释电性能：一些铁电材料还表现出热释电性能。
当这类材料被局部加热时，就会产生电荷，从而产生电信号。
这种特性可用于温度变化传感器，甚至是毒气检测器中。
4.非线性光学性能：铁电材料在非线性光学方面有很出色的表现，可以利用其将光束加工成符号、滤色器和测量仪器的功能。
二、铁电材料的应用1.电容器：由于铁电材料的电极化和解极化响应速度快，它们可用于电容器中，主要用于储存电料以及印刷电路板制作等领域。
2.传感器：由于铁电材料的压电特性，它们可以被用于制作各种类型的传感器，如液体容器液位感应器、汽车摩擦感应器等等。
3.振动器：由于铁电材料的压电特性和极化性能，它们可用于制造各种类型的振动器，如石英晶体振荡器等。
4.光伏器件：铁电材料在光伏器件中的应用越来越广泛。
铁电效应能够使太阳能电池在太阳光照射下提高光电转换效率，而且在成本上也具有一定优势。
5.非易失性存储器：铁电材料的极化状态可以长时间维持，因此它们可以被用于非易失性存储器中。
这种材料可以将电信号转化成二进制代码，从而实现信息存储和检索。
铁电材料的研究及应用
铁电材料的研究及应用近年来，铁电材料作为一种具有独特性能和潜在应用的材料受到了广泛的关注。
铁电材料具有独特的电性质和结构，在电子设备、信息存储、传感器等领域具有广泛的应用前景。
本文将介绍铁电材料的基本原理、研究进展及其在实际应用中的应用前景。
一、铁电材料的基本原理铁电材料属于一种具有自发极化的材料，其内部存在着自发的电偶极矩。
这种自发极化特性使得铁电材料可以通过加电场进行矫正，同时可以在没有电场作用下保持自身的极化状态。
铁电材料的一个重要特性是反向极化，即在电场的反向作用下，其极性发生颠倒。
铁电材料的这些独特性质可以用于电容器、场效应管等电子器件。
二、铁电材料的研究进展铁电材料起源于20世纪40年代，后来在1951年由Devonshire 首次提出了铁电材料的概念。
从那时起，人们一直在研究铁电材料的结构、性能和应用。
近年来，随着科技的不断发展和人们对材料性能的深入认识，铁电材料的研究也取得了不少进展。
1. 纳米铁电材料的研究近年来，随着纳米技术的不断发展，在铁电材料研究中引入了纳米材料，使得铁电材料的性能得到了更好的提高。
许多研究表明，纳米铁电材料具有更好的电性能、机械性能和化学稳定性等优点。
同时，纳米铁电材料的研究对于理解材料性能、优化制备工艺等方面也具有重要意义。
2. 铁电材料的生长和表征技术铁电材料除了研究理论外，还需要实验技术的支持。
生长技术是铁电材料研究的基础，目前主要采用的是单晶生长技术。
除此之外，表征技术也是铁电材料研究中的关键技术之一。
现代表征技术主要包括X射线衍射、扫描电子显微镜、拉曼光谱、透射电镜等技术手段。
这些技术可以对铁电材料的结构、性能等方面进行全面的分析。
三、铁电材料的应用前景铁电材料具有独特的电性质和结构，因此也具有广泛的应用前景。
以下是几个铁电材料应用领域的介绍：1. 电子器件领域铁电材料的自发极化特性使得其可以用于制造电容器、场效应管等电子器件，使其具有更好的电性能。
铁电材料的特性与应用
铁电材料的特性与应用随着科技的不断进步，人们对材料的性能和应用的要求越来越高，铁电材料作为一种特殊的功能材料，因其特殊的性质内在吸引着越来越多的科学家和工程师的关注。
铁电材料具有很多的特点和应用，本文将从以下几个方面进行探讨。
一、铁电材料的概述铁电材料是一种能够在外加电场的作用下，产生永久电极化或瞬时电极化，并能在无电场的作用下保持这种电极化状态的材料。
铁电材料的特殊性质有以下特点：1、储存强电场：铁电材料能够在强电场的作用下产生强电极化，并且能够在不加电场的情况下保持这种极化状态。
2、非线性介电性：铁电材料的介电常数随电场强度的变化不是线性的，而是具有一定的非线性。
铁电材料的非线性介电性具有在光通讯、信息传输等方面的应用前景。
3、电光效应：铁电材料在外界电场的作用下，其晶体结构出现对称性破缺，从而导致光学性能出现改变，这种现象即为电光效应。
4、压电效应：铁电材料在外界力的作用下，会产生电势差，形成电场分布而产生的现象就是压电效应。
二、铁电材料的应用铁电材料由于其具有特殊的性质，在各个行业中有着广泛的应用。
下面简述一下铁电材料在各个行业中的应用。
1、电子电器领域：铁电材料可用于存储器件、传感器、高频陶瓷器等方面。
石英陶瓷是一种常用的高频陶瓷，如果在其表面形成压电陶瓷层，就能够提高其机械振动的效率，达到提高声波频率和集中能量的目的。
2、光电子领域：铁电材料由于具备优异的光电性能，使其非常适用于薄膜反射镜、光阀、空间光学器件等方面。
3、声学领域：铁电材料由于具有压电效应，使其在锂电池、面板电池、防爆弹等方面有着广泛的应用。
4、航空领域：铁电材料由于其性质稳定，可在高温、高压等恶劣环境下使用，所以在火箭发动机、超音速飞行器等方面被广泛应用。
三、未来发展前景随着科技不断发展，人们对材料的性能和应用的要求越来越高，铁电材料作为一种特殊的功能材料，在绿色环保、节能减排、信息传输、生物医药等领域发挥着越来越大的作用，有着广泛的应用前景。
铁电材料的应用及其机制研究
铁电材料的应用及其机制研究铁电材料是一类具有独特电学性质的材料，具有晶体对称性中心的铁电晶体，在外电场或机械应力作用下可以发生电极化，在电场消失时仍能保持电极化状态，具有永久电性。
铁电材料的广泛应用已经成为了当前材料学及电子学领域的研究热点。
一、铁电材料的应用铁电材料的使用范围非常广阔，从蓝牙无线耳机到高端军事夜视设备，都有着铁电材料的身影。
1. 贝壳层材料目前大多数识别在商业上使用的贝壳层材料皆使用铁电材料，贝壳层材料是指碳纳米管包裹的，长有刺状物业的材料。
铁电材料由于其独特的电学性质，在贝壳层材料中起到了响应电子的作用，从而实现了一类电子描述在管道内穿行行为的有力工具。
2. 人机界面技术机器人、电脑软件和科幻电影中的交互方式一样，都需要一个理想的人机界面。
铁电材料结合触摸屏技术实现了最热门交互方式。
基于铁电材料的触摸屏排除了若干传统触摸屏的弱点，如传统的电容触屏大大受到皮肤的影响，而铁电材料在触摸的时候一般不会受到肤色亮度、湿度的影响。
3. 地下探测器铁电材料在分析地下管道以及检查铁路、公路、电力线、建筑物和其他类似物质的压力探测器方面发挥了重大作用。
铁电材料通过先进的轻质探测器，快速地检测压力，并将其传播到软件系统，以确定任何变化，使得在地下是察觉到缺陷的地下管道的检测变得更加容易。
4. 高密度储存介质铁电材料的高密度储存中最具代表性的是最早的DVD光盘，铁电材料是通过储存功能的储存介质硬度、密度和稳定性而实现的。
铁电材料的原型成为了DVD等高清储存介质，让我们在家中就可以享受一些高清大片了。
二、铁电材料的机制研究铁电材料的研究，主要包括铁电性质，材料的合成及其性质、其它学科的各种经验相关性，和铁电材料的应用。
铁电材料工作机制是铁电学的一部分，铁电学是研究铁电材料的产生、发展和应用的学科。
以下是铁电材料的机制研究几个方面：1. 基础知识铁电材料主要是由离子化合物组成的晶体，同时铁电性的主要施加在晶体中心点与化合物能量的比较中。
铁电材料及其应用
铁电材料及其应用
一、铁电材料及其应用
铁电材料是一种极具应用潜力的新材料，它具有电磁、光学、显示器件等多种性能。
它是一种由铁和氧组成的，具有结构相转变行为的材料，能够转变成一种带有特殊电学性质的材料。
铁电材料的特性使它便于应用于多种领域，如电子器件、飞行控制、传感器技术、通信、电气驱动、智能材料、能量存储、可控介质和生物医疗技术等。
1.铁电显示器
铁电显示器是一种由铁电材料制成的显示器件，具有较高的视觉效果和触摸效果，用于可视化图形的显示。
目前，铁电显示器被广泛应用于汽车仪表盘、手机、智能家电、机器人、医疗设备和消费电子产品等。
铁电显示器的特点是显示屏平稳性好，结构紧凑，受雾度影响小，亮度较高，使用寿命长等。
2.铁电传感器
铁电传感器是一种能够将外界信号转换为电子信号的装置，是一种新型传感器，具有抗振动、抗湿度、精度高、重量轻、体积小等优点。
它的主要作用是提供外界信息，通过特定的电子系统进行处理，使人们更易于控制和管理复杂、动态系统中的状态。
铁电传感器常用于电力监控、飞机控制系统、可控介质分析技术、机器人控制技术和汽车自动控制系统等领域。
铁电材料的应用
铁电材料的应用1. 应用背景铁电材料是一类具有特殊结构和性质的功能材料，具有较高的介电常数和压电常数，同时能够在外加电场的作用下产生自发极化。
这种自发极化可被反转，从而实现多种功能。
铁电材料的独特性质使其在各个领域都有广泛的应用。
2. 应用过程2.1 铁电薄膜制备铁电薄膜是铁电材料最常见的形式之一，其制备过程包括以下步骤：•材料选择：选择适合制备铁电薄膜的材料，如钛酸钡（BaTiO3）、锰酸锶（SrMnO3）等。
•基底准备：选择适合作为基底的晶体衬底，并进行表面处理，如去除氧化层、提高表面平整度等。
•沉积技术：使用适当的沉积技术，如物理气相沉积（PVD）、分子束外延（MBE）、溅射、化学气相沉积（CVD）等，在基底上沉积铁电材料薄膜。
•后处理：对沉积的薄膜进行退火、退离子等后处理，以提高其结晶度和性能。
•结构表征：使用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）等技术对制备的铁电薄膜进行结构表征。
2.2 应用领域铁电材料的应用领域广泛，以下是其中几个典型的应用领域：2.2.1 电子器件铁电材料在电子器件中有着重要的应用。
例如，铁电随机存储器（FeRAM）利用铁电材料的自发极化特性实现了非易失性存储，具有快速读写速度、低功耗等优点。
此外，铁电传感器、压力传感器等也是利用了铁电材料的压电响应特性。
2.2.2 光学器件铁电材料在光学器件中也有广泛应用。
例如，利用铁电光学效应可以制备光调制器、光开关等器件。
此外，由于铁电材料具有较高的非线性光学系数，还可以用于频率倍增、光学调制等领域。
2.2.3 声学器件铁电材料的压电性质使其在声学器件中有着重要应用。
例如，利用铁电材料的压电效应可以制备超声换能器、声波滤波器等。
此外，由于铁电材料具有良好的声表面波性能，还可以用于制备声表面波滤波器、压电天线等。
2.2.4 传感器和执行器铁电材料的压电和介电特性使其在传感器和执行器领域有着广泛应用。
例如，利用铁电材料的压电效应可以制备压力传感器、加速度计等；利用其介电特性可以制备湿度传感器、温度传感器等。
铁电材料应用
铁电材料应用
铁电材料是一类具有铁电性质的材料，它们在电子、通讯、储能等领域具有广
泛的应用前景。
铁电材料的应用可以追溯到上个世纪，随着材料科学的发展，铁电材料的性能不断得到提高，其应用领域也不断扩大。
本文将介绍铁电材料的基本特性及其在各个领域的应用情况。
首先，铁电材料具有良好的铁电性能，能够在外加电场作用下产生极化现象。
这种性质使得铁电材料在电子器件中具有重要的应用价值。
例如，铁电存储器利用铁电材料的极化特性来存储信息，具有高密度、低功耗、快速读写等优点，被广泛应用于数字产品、计算机等领域。
其次，铁电材料在通讯领域也有着重要的应用。
由于铁电材料具有良好的介电
性能和压电性能，可以用于制备微波器件、声表面波器件等，用于无线通讯、雷达、导航等系统中，能够提高系统的性能和稳定性。
此外，铁电材料还在能源领域有着广泛的应用。
铁电材料可以用于制备电容器、电池、传感器等器件，利用其压电、介电、铁电性能来实现能量的转换、存储和传感，为新能源、节能环保领域提供了重要的支持。
总的来说，铁电材料具有独特的物理性能，其在电子、通讯、能源等领域的应
用前景广阔。
随着材料科学的不断发展，铁电材料的性能将得到进一步提高，其应用领域也将不断拓展。
相信在不久的将来，铁电材料将会在更多的领域发挥重要作用，为人类社会的发展做出更大的贡献。
铁电材料的研究与应用前景
铁电材料的研究与应用前景铁电材料是一种特殊的材料，具有持续的电极化效应，可应用于许多科技领域，如电子、能源和通信等。
在过去的几十年里，铁电材料的研究得到了广泛的关注，不断涌现出新的成果。
本文将探讨铁电材料的研究现状以及其应用前景。
一、铁电材料的研究现状铁电材料具有许多独特的物理和化学特性。
它们的最大优点就是具有非常持久的极化效应，使其在存储器、传感器和激光等领域具有潜在的应用前景。
如果可以准确地控制其物理性质，铁电材料就可以用于产生更为高效的电场效应，并且这种效应可以跨越多个材料之间传输。
在铁电材料的研究中，一个重要的关键是了解其结构和性质之间的关系。
科学家们已经发现了许多有关铁电材料微观结构和性质之间关系的规律。
例如，通过控制铁电材料的晶格畸变和离子配位，科学家们已经成功地改变铁电材料的极化方向并调节了数值大小和电压敏感性。
此外，近年来，铁电材料的研究方向也逐渐向着多功能复合铁电材料发展。
这种材料将铁电材料与其他特殊性质的材料进行组合，形成复合材料，从而可以实现更高效、更广泛的应用。
二、铁电材料的应用前景铁电材料的应用前景非常广泛，目前已经应用于许多领域。
以下是几个铁电材料的应用领域。
1. 存储器铁电材料的极化效应使其非常适用于储存器的制造。
例如，通过存储器中的极化电荷，可以在不供电的情况下保留信息，从而大大提高了储存器的可靠性和稳定性。
2. 传感器由于铁电材料具有很少的失真和很强的耐用性，因此可以用于制造高灵敏度和高稳定性的传感器。
例如，可以将振荡器与铁电材料配合使用，用于制造高精度的机械测量仪器。
3. 激光器铁电材料可以被用来制造超快激光器。
这种激光器具有高能量密度和快速响应的特性。
此外，铁电材料还可以用来制造较为复杂的激光系统，由此产生更为精细的光谱和波长。
4. 能源铁电材料可以用于制造高效率的太阳能电池。
此外，通过在铁电材料中掺入其他物质，还可以制造出更为高效的生物质燃料电池。
5. 通讯通过在铁电材料中引入其他成分，可以制造出高精度、高稳定的元器件。
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立方晶相：a = b = c， α = γ= β = 90° 四方晶相：a = b ≠ c， α = γ = β = 90° 正交晶相： a ≠ b ≠ c α = γ= β = 90° 三角晶相：a = b = c α = γ = β ≠ 90°
四方相
铁电相
－90±9 ℃
正交相
铁电相 三方相
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临界特性
• 晶体在发生顺电-铁电相变或其它极化状态发生变化 的结构相变时，晶体的一系列物理性质发生反常变 化。例如晶体的介电性质、弹性、压电性、光学性 质、热学性质等大都出现明显的变化。晶体在相变 点附近发生的各种性能反常变化通称为临界现象。
顺电相的介电常数遵循居里－外斯定律
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90°畴壁 180°畴壁
自发极化 剩余极化 C 矫顽电场
D
B
A
F O
E
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C D
B
F O
E
A A B
O&C&F D
E
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Sawyer & Tower 电路
改进型的Sawyer & Tower 电路
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因为Cx和C0是串联的，故两个电容器上的 电荷是一样多的，即：
Qx =Qc=Q
区别 因为温度变化引起晶体胀缩 无方向性，因此由政府电荷 中心位移产生的压电晶体并
不产生热释电效应
联系 虽然温度变化引起晶体胀缩 无方向性，但是由于自发极 化偶极矩的存在使热释电晶
体具有压电效应
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铁电性
电畴的概念 畴：原子或离子有序排列的区域，畴与畴之间的边界叫做畴壁。
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E
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居里温度：铁电－顺电转变温度
• 当温度高于某一数值时，由于热扰动， 自发极化变为零，晶体将不再具备铁电 性，这一临界温度就称为居里温度Tc。
• 在居里点以下，由于存在自发极化，晶 体呈现铁电性，为铁电相。居里电以上， 材料为顺电相。 BaTiO3的例子：
顺电相
120℃
立方相
铁电相
0±5 ℃
x
x
x
x
y
y
y
(a)
(b)
(c)
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y
(d)
逆压电效应和电致伸缩效应的区别
与逆压电效应的区别
S
电致伸缩效应
逆压电效应
E
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热释电性
热释电性：由于温度的变化，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 象称之为热释电性
压电体和热释电体的区别和联系
较高温度时，钛离子热振动能较大，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。
• • °• •
•
•
• °
•
•
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• 较低温度时，钛离子热振动能降低，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，有可能偏离平衡位置向某一个
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自发极化的微观机制
极轴导致自发极化 热运动引起的自发极化 有序无序型极化
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极性轴导致的自发极化
+
-
+
+++++
-
-
+
+
- -+ - - -
+++++
-
-
正
电+
荷-
与
-
固
-
极 化 轴
CLeabharlann 负有电+ + 偶 +
荷- - 极 -
层
子
交
替+ +
+
排-
列
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-
由热运动导致的自发极化
氧八面体空腔体积大于钛离子体积，给钛离子位移的余地。
压电性
压电效应：当晶体受到机械力的作用时，表面将产生束缚电荷，电荷密 度的大小和所受到的机械力成线性关系，这种由机械力产生电效应的过 程称之为压电效应。
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逆压电效应 机械能 压电介质 电能
正压电效应
压电效应及可逆性
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压电效应的物理机制
(1)压电单晶—典型 代表石英晶体
晶体内部正负离子的偶极矩在外力的 作用下由于晶体的形变而被破坏，导 致使晶体的电中性被破坏，从而使其 在一些特定的方向上的晶体表面出现 剩余电电荷而产生的。
C
TTc C：居里－外斯常数；Tc：居里－外斯温度
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铁电薄膜的应用
• 声表面滤波器(Surface Acoustic Wave Filter)
因为样品的有效面积A和电容C是 已知的，A/C为常数 故U2与电位移D成正比。对于压 电陶瓷，εr>>1，故D≌P， 因此U2与P成正比
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电容器上的电压U2接到示波器的垂直致偏 电极上，垂直幅度Uy与电压U2成正比，也 就是说，示波器垂直幅度与电位移D（或极 化强度P）成正比。
水平致偏电极则接到电位器W的滑动接点上， 由于C>>Cx，故U>>U1，因此水平致偏电 极之间的水平幅度电压Ux正比于试样两端 的电压U1，而试样两端的电场强度E=U1/d， 因此在示波器上可以观察到P-E（或D-E） 曲线，即电滞回线。
氧离子靠近，偶极矩间的相互作用使偏离平衡位置的离子在新平衡位置上固
定下来，并使这一氧离子出现强烈极化，发生自发极化，使晶体顺着该方向
延长，晶胞发生轻微畸变，由立方变为四方晶体。
•• °••
•
•
• °
图B
•
•
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铁电薄膜的电性能
• 介电性 • 压电性 • 热释电性 • 铁电性
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介电性
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➢ 罗息盐时期—发现铁电性 ➢ KDP时期—热力学理论 ➢ 钙钛矿时期—软模理论 ➢ 铁电薄膜及其器件时期—小型化
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时间 1824 1921 1935 1944
1949 1951 1964 1977 1993
事件 在罗息盐中发现热释电性 发现罗息盐具有铁电性
提出反铁电体概念 研制出铁电半导体(PTC)器件
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 晶体结构的周期性和重复性，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。这种在无外电场作用下存在 的极化现象称为自发极化
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一般介电材料
压电材料
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热释热电释材电料材料
铁压电电材料材料
铁电材料的发展历史和现状
铁电材料及其应用
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目录
• 引言 • 铁电薄膜的晶体结构 • 铁电薄膜的电性能 • 铁电薄膜的应用 • 总结
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什么是铁电材料？
铁
磁
铁
体
电
体
具有自发磁化 的现象
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压电材料和铁电材料
压电材料：机械能与电能相互转换的功 能材料。 铁电材料：具有压电效应材料中， 能自发极化的一类材料。