第22讲7-3铁电体物理效应
6
压电效应与压电常数
对于正和逆压电效应，压电常数d在数值 上是相同的，
D x d X E
D, E
为矢量，
为张量 x, X
7
标量、矢量和张量
标量：与方向无关，如密度、质量、温度 等； 矢量：既有大小又有方向，如力、速度、 电场强度等； 张量：简单的说，张量概念是矢量概念和 矩阵概念的推广，标量是零阶张量，矢量是一 阶张量，矩阵（方阵）是二阶张量，而三阶张 量则好比立体矩阵，更高阶的张量用图形无法 表达。
和媒质的介电常数和导磁率
（2）色散现象
晶体的折射率与光的频率(波长)有关，这就 是色散现象 由于电子的质量比原子核的质量小得多，因此， 可以近似地把原于核看成是固定不动的。此外， 又由于电子运动的速度比光速小得多，所以电 磁波对原子的主要作用表现为电磁波的电场E 对原子中电子的作用。
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色散现象
一. 压电效应 对于不存在对称中心的晶体，加在晶体 上的外力除了使晶体发生形变以外，同时， 还将改变晶体的极化状态，在晶体内部建立 电场，这种由于机械力的作用而使介质发生 极化的现象称为正压电效应。反之，如果把 外电场加在这种晶体上，改变其极化状态， 晶体的形状也将发生变化，这就是逆压电效 应。二者统称为压电效应。
晶体的热释电效应实际上是一种热-电耦合效 应，进一步分析热释电效应可以像压电效应 一样列出晶体的热释电方程：
T Di ij E j pi T
S pi Ei C E T T
p i 为热释电常数
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热释电效应与弹性边界条件
如果晶体是在机械夹持状态下加热的，即晶体的 体积和外形被强制地保持不变，这时所观察到的 热释电效应为第一类热释电效应 如果晶体在机械自由状态下加热，那么晶体将因 受热膨胀而产生应变，这种应变将通过压电效应 产生电位移而叠加在第一类效应上，这种由于热 膨胀通过压电效应耦合而产生的附加热释电效应 称为第二类热释电效应 自由晶体受热时的热释电效应是第一类效应和第 二类效应之和 25
D D D x T X , E T X , E x T , E T X , E
第一部分为恒应变和恒电场下的热释电常 数，即第一类热释电常数 第二部分 e和a的乘积就是热膨胀通过压电 效应的耦合对热释电效应的贡献，即第二 类热释电常数。
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3、电光效应
外加电场所造成的晶体折射率的变化称为电 光效应。一般情况下，电场对晶体折射率的 影响可用一个幂级数表示：
n n aE0 bE
0 2 0
式中 n 0 是外电场 E0 0 时晶体的折射率， a和b是常数
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由电场的一次线性项 aE0 造成的折射率的 变化称为一次电光效应、线性电光效应或 普克尔（Pockels）效应。 由电场的二次平方项 造成的折射率的 变化称为二次电光效应或克尔（Kerr）效 应
晶体压电效应的示意图
4
对于有对称中心的晶体,无论有无外力 作用，晶体中的正负电荷中心总是重合在 一起的,因此不具有压电效应。 如果将一块压电晶体置于外电场中， 由于电场的作用，晶体内部正负电荷重心 发生位移，这一位移又导致晶体发生形变， 这个效应叫逆压电效应。
5
压电效应与压电常数
在压电效应中，电荷与应力是成正比例的， 用介质电位移 D（单位面积的电荷）和应力 X 表达式如下： D = d X
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压电效应的方程式
正压电效应，根据定义可写出方程式：
D1=d11X1+d12X2+d13X3+d14X4+d15X5+d16X6 D2=d21X1+d22X2+d23X3+d24X4+d25X5+d26X6 D3=d31X1+d32X2+d33X3+d34X4+d35X5+d36X6
式中d的第一个下标代表电的方向，第二 个下标代表机械力（力或形变）方向。
15
图7-35 压电振子的阻抗特性曲线示意图
16
根据谐振理论，压电振子在最小阻抗频率 fm附近，存在一个使信号电压与电流同位相的 频率，这个频率就是压电振子的谐振频率fr， 同样在fn附近存在另一个使信号电压与电流同 位相的频率，这个频率叫压电振子的反谐振频 率fa。只有压电振子在机械损耗为零的条件下 fm=fr，fn=fa。
第七章 铁电物理
本章提要
铁电体物理学研究的核心问题是自发极 化。本章主要介绍有关铁电体物理学的一些 基本概念；自发极化产生的机制；铁电相变 与晶体的结构变化；极化状态在各种外界条 件下的变化，即介电响应、压电、热释电、 电致伸缩、光学效应等；最后适当介绍铁电 物理效应的实验研究。
1
7.5 铁电体物理效应
T
14
压电振子及其参数
１.谐振频率与反谐振频率
若压电振子是具有固有振动频率fr的弹性 体，当施加于压电振子上的激励信号频率等于 fr时，压电振子由于逆压电效应产生机械谐振， 这种机械谐振又借助正压电效应而输出电信号。 压电振子谐振时，输出电流达到最大值， 此时的频率为最小阻抗频率fm。当信号频率 继续增大时到fn，输出电流值达最小值，fn叫 最大阻抗频率。
• A)在氧化铝衬底上 生长的氧化锌纳米 线的扫描电子显微 镜图像。 • (B)在导电的原子力 显微镜针尖作用下， 纳米线利用压电效 应发电的示意图。 • (C)当原子力显微镜 探针扫过纳米线阵 列时，压电电荷释 放的三维电压/电流 信号图.
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纳米孔阵列阳极氧化铝膜是在酸性溶液中由高纯 金属铝片经过电化学阳极氧化制备而成。通过改变 阳极氧化工艺参数，孔径大小可变范围为10～200 nm、孔密度可达109 ～1012 个/cm2 ，该纳米孔阵列 具有孔径大小一致、排列有序、分布均匀、呈柱状 形态等特征。 由于阳极氧化铝膜的孔径、孔密度及孔的深度都 是可控的，同时又具有较好的热稳定性和化学稳定 性，因此，纳米孔阵列阳极氧化铝膜是一种理想的 模板材料,已经在纳米材料的制备、功能材料及器件 的研发等领域中得到了广泛的应用。
26
在非均匀加热，晶体内部会出现温度和应力梯 度。应力梯度通过压电效应的耦合也将引入附 加的热释电效应，称为第三类热释电效应
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三、电致伸缩
介质受电场作用的力
2 1 1 2 f 0 E 0 E . 2 2
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任何电介质在外电场E 的作用下都会出现应力， 这种应力的大小与E 的二次项成线性关系，称 这种效应为电致伸缩（electro striction） 电致伸缩效应与压电效应的区别在于：前者是 二次效应，在任何电介质中均存在；而后者是 一次效应，只可能出现于没有中心对称的电介 质中。 对于压电体，在外电场作用下一次的压电效应 和二次的电致伸缩效应同时出现。一般说来， 一次效应比二次效应显著，但两者有时可以具 29 有相同的数量级。
E1 E2 ,
1 2
Pi
nijk 2
E [1 cos 21t ]
2 1
第一项相当于光学非线性效应产生的恒定 极化分量，可称为光整流； 第二项就是通过二阶光学非线性效应产生 的二次谐波分量(SHG)。
36
为了获得最高的二次谐波转换效率，要求基 频光和倍频光在晶体中的传播速率相同，即 晶体在ω和2ω下的折射率相等，否则基频光 在晶体中传播时，沿途所诱发出的倍频光将 因相位不同发生干涉作用而削弱，甚至抵消。
2
晶体是否具有压电效应，取决于晶体 构造的对称性 在晶体的32种点群中，具有对称中心 的11个点群不会有压电效应。在21种不存 在对称中心的点群中，除了432点群因为 对称性很高，压电效应退化以外，其余20 个点群都有可能产生压电效应。 晶体构造上不存在对称中心是产生压电 效应的必要条件
3
图7.23
在逆压电效应中常数d的第一下标也是“电” 的分量，而第二个下标是机械形变或应力的分 13 量。
如果同时考虑力学参量（X，x）和电学参量 （E，D）的复合作用，可用简式表示如下
D = dX= E x =SEX =dE
T
式中 是在恒定应力（或零应力）下测量出 的机械自由介电常数，SE为电短路情况下的弹 性常数
17
2.频率常数 压电元件的谐振频率与沿振动方向的长度的 乘积为一常数，称为频率常数Ni （kHz· m）。 例如陶瓷薄长片沿长度方向伸缩振动的频率 常数Ni为：Ni = frl fr =
1 2l 1 E S11
由此可见，频率常数只与材料的性质有关。 若知道材料的频率常数即可根据所要求的 18 频率来设计元件的外形尺寸。
21
22
二、热释电效应 当晶体的温度T 均匀变化时，晶体的自发极化 强度矢量 Pi 也随着发生变化。晶体的热释电效 应可用以下关系给出： i 1,2,3 dPi pi dT 其中 p i 称为热释电常数，其单位为C/m2· K 如果晶体在加热时压电轴正端产生正电荷，则规 定该晶体沿着这一轴向的热释电常数为正。大多 数晶体的自发极化随着温度的增加下降，因而热 释电常数为负值。 23
这样就可利用寻常光和异常光折射率的不同， 补偿了色散所造成的折射率变化。对于有些双 折射材料，有时还需加热来获得基频光和倍频 光之间精确的相位匹配条件。外加直流电场和 机械应力是另外两种获得相位匹配的方法。
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许多有希望的非线性光学材料都是铁电体。 这是由于这类材料双折射的特点及双折射受 温度影响强烈的缘故
3.机电耦合系数
机电耦合系数k是综合反映压电材料性能 的参数。它表示压电材料的机械能与电能 的耦合效应，定义为：
由机械能转换的电能 k 输入的总机械能
2
或
由电能转换的机械能 k 输入的总电能
铁电性与压电性PPT课件
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等轴晶系（大于120oC） ： 晶胞常数：a=4.01A 氧离子的半径：1.32A 钛离子的半径： 0.64
钛离子处于氧八面体中， 两个氧离子间的空隙为：4.01－2× 1.32= 1.37 钛离子的直径：2× 0.64= 1。28
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结果： 氧八面体空腔体积大于钛离子体积，给钛离子位移的余地。 较高温度时，热振动能比较大，钛离子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。 温度降低，钛离子平均热振动能降低，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，有可能向某一个氧离子靠近，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，使晶体顺着这个方 向延长，晶胞发生轻微畸变，由立方变为四方晶体。
d:压电常数 逆压电效应的应变与施加的电场强度有如下关系：
S=dE d:压电常数 注：正、逆压电效应的压电常数一样。
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2. 压电材料的性能
（1）机电偶合系数 （2）机械品质因数 （3）频率常数 （4）压电常数 （5）弹性模量、相对介电常数、居里温度等。 介电质的基本性能：介电常数、介电损耗等 特殊应用要求的性能：如：滤波器要求谐振频率稳定性高
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－－－－－－－
+ + ++ + 极化方向
－－－－－－－ + + ++
－－－－－
+ 极化方向
++++++
自+由电荷
－－－－－
－－－－－－－－－－－－
++++++ +
第23讲7-5铁电体物理效应实验研究
本章提要
铁电体物理学研究的核心问题是自发极化。 本章主要介绍有关铁电体物理学的一些基本 概念；自发极化产生的机制；铁电相变与晶 体的结构变化；极化状态在各种外界条件下 的变化，即介电响应、压电、热释电、电致 伸缩、光学效应等；最后适当介绍铁电物理 效应的实验研究。
1
光在晶体中的传播
以C轴为旋转轴，得一扁平的旋转椭球体， 凡此种特点的光率体称为负光性光率体。
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第二节 光率体
2、光率体形状
一轴晶晶体的水平结晶轴单位相等，水平方向上的光学性质相同 一轴晶光率体是一个以C轴为旋转轴的旋转椭球体
一轴晶光率体有正负之分。正光性光率体旋转轴为长轴，负光性
旋转轴为短轴。
17
第二节 光率体
12
第一节 光在晶体中的传播
一轴晶双折射的特点:
一束偏光的振动方向永远垂直光轴 传播速度及折射率值不变，称为常光, 符号O表示 常光的折射率值不随入射光波的振动方 向的改变而改变，其折射率值用No表示 另一偏光的振动方向在光波的传播方向
及光轴所构成的平面内
其传播速度与折射率值随光波的振动方 向的改变而改变，称为非常光，以符号E
4
光在晶体中的传播
3· 偏光
自然光经过反射、折射、双折射等作用，转变为只 有一个固定振动方向的光波，称为偏振光，简称偏光。 偏光振动面只有一个，因此以叫平面偏光。 晶体光学中主要是利用平面偏光，很少利用自然光 偏光显微镜研究晶体时是把自然光经过折射或选择
性吸收作用转变为偏光。
5
光在晶体中的传播
光入射非均质体，产生两条振动方向垂直的光波，这种现象称为 双折射 光波入射光性非均质体中只有特定方向不产生双折射，不发生双 折射的特殊方向称为光轴。 一轴晶
铁电物理简介_
第五个阶段：96年开始铁电薄膜和铁电薄膜器件 20
与存储记忆有关的物理问题 —集成铁电物理学
Fatigue(疲劳）, Retention（保持）, Imprint （印记）, Domain Structure（电畴结构）, Switching Process（开关过程）, Stress Effect（应力效应）, Size Effect（尺寸效 应）, Irradiation Effect（辐照效应）, Forming Gas（形成气氛）, High Dielectric Materials（高介电材料）, Electrode Effect （电极效应） (Heterojunction), Leakage Current（漏电流）, Breakdown（击 穿）
2012-9-29 26
SrBi2Ta2O9中的保持（Pr—t）
2012-9-29
27
3.印记(Imprint)
• 电滞回线的对称
性改变，某一极 化状态剩余极化 增加而在另一状 态减少，产生印 记。
2012-9-29
28
产生印记的原因
• 顶电极、底电极材料不同。 • 顶电极和底电极不同热处理经历使上下两薄膜电 • •
电常数的界面层，d/=d/I+d/F • 2．晶粒尺寸影响：畴结构的变化（由多畴变为 单畴） • 在大晶粒膜到小晶粒膜时 Phys. Rev. B 54, R14337,( 1996); Phys. Rev. B 55, 3485, (1997) • 3．界面层应力：外延生长薄膜有1000MP的应 力存在 • J. A. P. 81, 1392, (1997); J. A. P. 83, 1610（ 1998） 2012-9-29 36
铁电体材料理论及性综述PPT课件
三、典型材料与应用
1、BaTiO3陶瓷材料
BaTiO3 晶体结构有立方相、四方相、斜方相和 三方相等晶相，均属于钙钛矿型结构的变体，四方 相、斜方相和三方相为铁电相，立方相为顺电相。
＞120℃—立方晶 胞 6℃～120℃—四方晶胞
-90℃～6℃—斜方晶胞
＜-90℃—三方晶胞
三、典型材料与应用
1、BaTiO3陶瓷材料
主要汇报内容
1 铁电体材料相关概念 2 铁电体材料的特性 3 典型的材料和应用 4 MS在材料中的应用
一、铁电体材料相关概念
1、铁电材料发展历程
铁电体与铁磁体在许多性质上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。
早期在欧洲（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）。
一、铁电体材料相关概念
4. 铁电材料的钙钛矿结构
b 复合钙钛矿结构化合物
（A1 x1 A2x2）（B1y1B2y2）O3型
A1A2占据A位，满足条件： 其中：x1，x2分别为A1离子和A2离子化学计 量比:x1+x2=1
A位化合价= A1·x1+A2 ·x2=+2价
一、铁电体材料相关概念
4. 铁电材料的钙钛矿结构
一、铁电体材料相关概念
3、相关概念
（2）自发极化 spontaneous polarization
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。 在垂直于极化轴的表面上，单位面积的自发极化 电荷量称为自发极化强度。
（3）介电常数 dielectric constant
第七章铁电物理
3. 电畴结构
晶体内部在退极化电场的作用下，就会分裂 出一系列自发极化方向不同的小区域，使其 各自所建立的退极化电场互相补偿，相到整 个晶体对内、对外均不呈现电场为止。这些 由自发极化方向相同的晶胞所组成的小区域 便称为电畴，分隔相邻电畴的界面称为畴壁
T
c
式中 为特性温度，它一般略低于居
里点；c称为居里常数；而代表电子极
化对介电常数的贡献，在过渡温度时
可以忽略。
具有铁电的晶体可以分为两大类
一类是以磷酸二氢钾为代表的，具有氢 键，它们从顺电相到铁电相的过渡是无 序到有序的相变
另一类则以钛酸钡为代表的，从顺电相 到铁电相的过渡，是由于其中两个子晶 格发生相对位移
的状态处在图上的O点
O点经A点达到B点：
沿着晶体某一可能产生自发极化的方向加上电场， 当电场超过电畴反转的临界电场时（图上的A点）， 与外场方向不一致的反平行畴与正交畴中便有许多 新畴产生。随着新畴的不断生产和90°畴壁的侧向 移动，与电场方向不一致的畴逐渐消失，沿着电场 方向的电畴逐渐扩大，直到晶体中所有电畴均转向 外电场方向，整个晶体变成一个单一的极化畴
二、铁电体电滞回线
铁电体的自发极化在外电场作用下的重行定 向并不是连续发生的，而是在外电场超过某
一临界场强时发生的。这就使得极化强度P 滞后于外加电场E。当电场发生周期性变化 时，P和E之间便形成电滞回线关系
1.铁电体的电滞回线
假客观存在铁电体在外电场为零时，晶体中的各电 畴互相补偿，晶体对外的宏观极化强度为零，晶体
铁电相是极化的有序状态，顺电相是极化的 无序状态；顺电相所在的温度恒比铁电相所 在的温度高
铁电物理学
目录摘要 01 电介质的极化 01.1 电介质的极化机制 01.2 克劳修斯－莫索提公式 (1)1.3 极化弛豫 (1)1.4 自发极化 (1)1.5 极化灾变 (2)2 铁电材料 (2)2.1 概述 (2)2.2 基本性质 (4)2.3 研究进展 (5)3 铁电性 (7)3.1 自发极化 (8)3.2 电畴 (8)3.3 电滞回线 (9)3.4 铁电体的介电常数 (10)3.5 压电性 (11)3.6 晶体结构和铁电体的分类 (12)铁电相变 (12)3.8 反铁电性 (13)3.9 铁电性的应用 (15)浅谈铁电性[摘要] 本文主要由三个部分组成。
第一个部分主要阐述了电介质的极化，其中包括了电介质的极化机制、克劳修斯－莫索提公式、极化弛豫和极化灾变等方面。
第二个部分主要介绍铁电材料。
最后一个部分对铁电性进行论述，其中包括自发极化、电畴、电滞回线、铁电体的介电常数、压电性和晶体结构和铁电体的分类等方面。
1 电介质的极化外电场作用下，电介质显示电性的现象。
在电场的影响下，物质中含有可移动宏观距离的电荷叫做自由电荷；如果电荷被紧密地束缚在局域位置上，不能作宏观距离移动，只能在原子范围内活动，这种电荷叫做束缚电荷。
理想的绝缘介质内部没有自由电荷，实际的电介质内部总是存在少量自由电荷，它们是造成电介质漏电的原因。
一般情形下，未经电场作用的电介质内部的正负束缚电荷平均说来处处抵消，宏观上并不显示电性。
在外电场的作用下，束缚电荷的局部移动导致宏观上显示出电性,在电介质的外表和内部不均匀的地方出现电荷,这种现象称为极化，出现的电荷称为极化电荷。
这些极化电荷改变原来的电场。
充满电介质的电容器比真空电容器的电容大就是由于电介质的极化作用。
1.1 电介质的极化机制①电子极化，是在电场作用下原子核与负电子云之间相对位移，它们的等效中心不再重合而分开一定的距离l形成电偶极矩p e＝el(l由负电中心指向正电中心,e是电荷量,见电偶极子)。
铁电体 原理
铁电体原理
铁电体是一种具有特殊性质的晶体材料，其特点主要体现在其晶体结构和电性行为上。
铁电体的晶体结构由正负离子组成，其中正离子通常是金属离子，负离子则是非金属离子。
这些离子在晶体中排列成周期性的规则结构，使得晶体具有高度有序的排列方式。
铁电体的特殊之处在于，在一些特定的温度下，其晶体结构会发生变化，由对称的晶体相变为非对称的晶体相。
这种相变被称为铁电相变。
在铁电相变之后，晶体会展现出一种非常特殊的电性行为，称为铁电性。
铁电性是指铁电体在外加电场的作用下，会发生极化现象。
极化是指晶体中正、负电荷的分布发生改变，形成电偶极子。
当外加电场消失时，电偶极子仍然保持一定的极化方向，直到受到相反方向的电场作用才能使其改变。
这种可逆的电性行为是铁电体与其他晶体材料最大的区别之一。
铁电体的铁电性使其具有广泛的应用价值。
例如，在电子器件中，铁电体可以用于制作记忆元件，利用其可以储存电荷的特性，实现信息的存储和读取。
此外，铁电体还可用于制作传感器，利用其电性和外界环境的关联性，实现对压力、温度等物理量的检测和测量。
铁电体也可用于电池等能源转换装置中，进一步提高能源的存储和输出效率。
总而言之，铁电体是一种特殊的晶体材料，具有非对称的晶体结构和可逆的极化特性。
这种特殊性质为铁电体在信息存储、传感器和能源转换等领域中的应用提供了广阔的空间。
铁电体
铁电体铁电体是指可以产生自发极化并且自发极化可以随外电场的变化而发生转向的电介质材料,铁电体包含于压电体，压电体是指能够产生压电效应及逆压电效应的电介质材料，晶体具有压电性的前提是点群结构是非中心对称的。
结构中心对称的晶体发生形变后，其正电荷和负电荷中心仍然重合，不具备产生压电效应及逆压电效应的条件。
因为正负离子产生相互位移的结果是相互抵消的，所以只有不具备中心对称结构的晶体才具有压电效应可以成为压电晶体，但并不是具有压电效应的点群结构都可以产生自发极化强度，因为很多晶体的压电效应都是在某个特定方向产生的，说明该晶体的点群结构只在某个特定方向上非中心对称。
这就是说所有铁电体都是压电体，但压电体不一定是铁电体，比如石英，四硼酸锂等著名的压电体都不是铁电体[12]。
图1-2 电介质晶体分类在晶体学的32种点群中，有21种点群是非中心对称的，它们分别是1、2、m、222、2mm、4、4、422、4mm、3、32、422、3m、6、6、622、6mm、6m2、23、43m、432。
在这21种点群中，属于432点群的晶体至今未发现压电效应，这可能是由于432点群具有很高的轴对称性造成的，在这21种非中心对称的点群中有10种点群的晶体可能具有自发极化，它们是1、2、m、mm2、4、4mm、3、3m、6、6mm，并且在这10种点群晶体中自发极化还会随着温度的变化而发生改变，如果热胀冷缩效应足够大，那么温度的变化会导致应变的产生，这就是热释电效应，所以铁电体一定是属于可以产生自发极化的这10个点群范围内的[13]，图1-2中给出了几种晶体之间的关系。
铁电体的本质特性是可以产生自发极化，自发极化的产生是由于晶胞内部正负电荷中心不重叠而形成电偶极矩的体现，铁电体呈现自发极化状态，在其正负端面分别出现一层符号相反的束缚电荷使其净电压发生变化。
当铁电体受到机械束缚或外界条件发生变化时自发极化状态也将发生变化，所以自发极化的状态是不稳定的，也不是一致有序的。
铁电性(材料物理性能)
• •
Ti4+
O-
•° • •• • • ° • • •° • • •
7
°
•
•
例2：具有极性轴或结构本身具有自发极化的结构 + + + + + 正 电 荷 层 与 负 电 荷 层 交 替 排 列
固 有 偶 极 子
+ +
+
+ -
+
+ -
+
+
纤锌矿(ZnS)结构在（010）上投影
一、铁电体
是一类特殊的电介质材料，在一定温度范围内含有能自发极化，并且 发极化方向可随外电场作可逆转动的晶体。
1、铁电体的特点
1）铁电体是非线性介质 即极化强度和外施电压的关系是非线性的。
P 0 E
备注：线性介质
没有外加电场时，介质的极化强度等于零。 有外电场时，介质的极化强度与宏观电场E 成正比。
1
2）铁电体是极性晶体
即其极化状态并非由外电场所引起，而是由晶体内部结构特点所 引起，晶体中每个晶胞内存在固有电偶极矩。
注意：铁电晶体一定是极性晶体，但并非所有的极性晶体都是铁电体
2
3）铁电体的极化是自发极化
A.按相转变的自发极化机构铁电体分两类 ：
第一类是位移型，其自发极化同一类离 子的亚点阵相对于另一类亚点阵的整体 位移相联系。 位移型铁电体的结构大多同钙钛矿结构 及钛铁矿结构紧密相关。钛酸钡是典型 的钙钛矿型的铁电体。 Ba2+ Ti4+ O-
• •
•
•
°
°
•
•
O-
第六章 铁电物理与性能学
铁电相变
位移型相变铁电体
（不涉及化学键的破坏，新相和旧相之间存 在明显的晶体学位相关系）
以BaTiO3为例
钛酸钡不同温度下的晶胞结构变化示意图
位移型相变铁电体
以典型铁电材料——钛酸钡BaTiO3晶体为例，介绍其自发极化的微观模型
BaTiO3晶体从非 铁电性到铁电性的 过渡总是伴随着晶 体立方→四方的改 变，因此提出了一 种离子位移理论， 认为自发极化主要 是晶体中某些离子 偏离了平衡位置， 使得单位晶胞中出 现了电偶极矩造成 的
第六章 铁电物理与性能
Ferroelectrics
基本定义
具有自发极化强度,自发极化强度能 在外加电场下反转 或：具有电滞回线和具有电畴的特 点的材料为铁电体
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。
（3）压电聚合物
聚二氟乙烯（PVF2 ）是目前发现的压电效应较强的聚合物 薄膜，这种合成高分子薄膜就其对称性来看，不存在压电效应， 但是它们具有“平面锯齿”结构，存在抵消不了的偶极子。经延 展和拉伸后可以使分子链轴成规则排列，并在与分子轴垂直方向 上产生自发极化偶极子。当在膜厚方向加直流高压电场极化后， 就可以成为具有压电性能的高分子薄膜。这种薄膜有可挠性，并 容易制成大面积压电元件。这种元件耐冲击、不易破碎、稳定性 好、频带宽。为提高其压电性能还可以掺入压电陶瓷粉末，制成 混合复合材料(PVF2—PZT)。