铁电体
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
铁电体应用
铁电体应用
铁电体是一种新型的半导体材料，可以在电子电路中实现一定的功能。
它的出现为电子设备提供了新的应用和发展方向，这在许多科学研究领域中发挥了重要作用。
首先，铁电体可以用于电子设备的放大器，因为它可以增强电压信号，从而提高设备的性能。
例如，在电话机中，可以使用铁电体来放大来自用户接收到的信号，从而提高其声音质量和信号强度。
另外，在传感器领域，铁电体可以被用来检测数据，这对于较低的能量领域非常有用。
例如，运动传感器通常使用铁电体检测低频动作，从而实现更高精度的数据获取。
此外，铁电体可以用于存储器，因为它具有优良的稳定性和可靠性。
它可以在非常低的功耗下存储数据，而且可以可靠地保存大量的数据，例如在计算机中可以用来存储巨大的数据库。
此外，铁电体可以用于替代传统的电容器，在一定的电压范围内可以维持一定的电容量，从而提高设备的性能。
最后，铁电体还可以用于制备各种新型电子设备，例如穿戴式设备、健康监测设备，甚至是智能手机、电脑等移动终端。
这些新型设备可以利用铁电体的特性，实现各种复杂功能，为用户提供更加灵活便捷的服务。
铁电体的应用已经遍布各个科学领域，它的出现为许多电子设备提供了新的发展方向。
铁电体具有优良的性能，可以替代传统的电子设备，从而提高电子设备的性能和功效。
虽然铁电体的发展依旧处于
初级阶段，但它今后会被广泛应用，为电子设备的更加深入发展提供新的动力。
铁电体及其相变
90oC
90oC
铁电相
三角晶系 三重轴的平移
立方相
P
增
四方相
加
三角相
正交相
铌酸锂型铁电体
LiNbO3是已知居里点最高1210oC和自发极化最大0 7C/m2的铁电体
T 结构：三角晶系
Nb位于氧八面体 的中心
T Nb
Li
C
Li位于氧平面内
P 自发极化起因
0
顺电相
铁电相
Li和Nb发生沿c轴的位移;产生c轴的电偶极矩
电容率呈现极大值的温度Tp随频率满足下列关系：
测试频率
冻结温度
2 介电常数随温度变化不符合 居里外斯定律;而是类居里外 斯定律
u
弥散指数
e kB(TpTf) 0
Phys. Rev. Lett, 101, 247602 (2008)
铁电弛豫体有很大的压电效应 电致伸缩系数
0 65PbMg1/3Nb2/3O30 35PbTiO3 : 4×1015 m2/V2
应用举例： 铁电存储器
原理：
两种极化状态
优点： •抗电磁干扰 •非易失性 结构相变 •低功耗
•速度快
Newman原理下的复合材料设计
1921年铁电存储技术 提出
1993年美国Ramtron 国际成功制备出4Kb 的铁电存储器
2008年美国Ramtron 国际成功制备出1Mb 的铁电存储器
J DmaxEdD 0
1 钙钛矿型铁电体
A
最多的一类铁电体;
O-
通式：ABO3 例：CaTiO3
B+
晶体结构：
氧离子形成氧八面体;整个晶体可看成氧八面体共顶点联接 而成 氧八面体间的间隙由A离子占据
铁电体及其相变
应力诱导相变 是指在应力作 用下，铁电体 晶体结构发生 可逆变化的现
象。
铁电体相变的应用
铁电存储器：利用铁电体的相变特性，实现数据的存储和读取 铁电场效应晶体管：利用铁电体的相变特性，实现晶体管的开关功能 铁电传感器：利用铁电体的相变特性，实现对物理量的检测和测量 铁电显示技术：利用铁电体的相变特性，实现图像的显示和更新
铁电晶体管：利用铁电体的电 场效应，实现晶体管的开关功 能
铁电光子学：利用铁电体的电 场效应，实现光子器件的调制 和控制
铁电材料在生物医学领域的 应用：利用铁电材料的生物 相容性，实现生物医学器件 的制备和应用
铁电体的相变
铁电体的相变类型
顺电相变：铁电体从顺电相变为铁电相 的过程
反电相变：铁电体从铁电相变为反电相 的过程
目的：提高铁电体的性能
效果：提高铁电体的电学性能、热 稳定性等
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
方法：通过表面处理，如涂层、掺 杂等
应用：在电子、能源等领域有广泛 应用
复合改性
复合材料：铁 电体与其他材 料复合，提高
性能
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
改性方法：添 加其他元素或 改变结构，提 高铁电体性能
应用领域：电 子、能源、生 物医学等领域
气相沉积法：在高温下，将 铁电体原料蒸发成气体，然 后在基底上沉积形成铁电体 薄膜
铁电体的性能优化
掺杂改性
掺杂元素：如稀土元素、过渡金属元素等 掺杂方式：固溶体、非晶态、纳米颗粒等 掺杂效果：提高铁电体的电学性能、热稳定性、机械强度等 掺杂机理：通过改变铁电体的晶体结构、电子结构等来优化性能
表面改性
添加标题 添加标题
铁电体的热释电性是指其晶体结构中存在电偶极矩，且电偶极矩的大小可以随温度变化而改变。 铁电体的电致伸缩性是指其晶体结构中存在电偶极矩，且电偶极矩的大小可以随外加电场而改变。
铁电体应用
铁电体应用铁电体是一种以具有特定电容性的材料组成的物理构件，它的主要功能是具有在电场中的变形，并产生电磁感应效应，它可以用来存储和转移电能，在很多领域有广泛的应用，从而满足了不同科技领域的需要。
一、电磁兼容能力铁电体具有特殊的电磁兼容能力，它可以防止电路中的高电压以及低电压的冲击，保护完整的电子系统的安全。
此外，它还可以起到反射电磁波的作用，有效抵抗干扰，保证电子系统的正常工作。
二、驱动和控制应用铁电体的电磁特性可以被用来驱动和控制微型电机，比如，它可以用来控制手机振动器，例如手机震动器。
铁电体在电池供电时，可以不断收发电流，实现连续微小电流的控制。
三、隔离应用此外，铁电体也可以用于隔离电路中的高频信号，能够有效抑制辐射，保护上层电路免受损害。
例如，铁电隔离器可以用于发射机的空中数据传输系统，可以有效的进行数据的传输和接收，减少线上电磁干扰以及受到的信号衰减。
四、储能应用铁电体具有良好的电容性能，可以用作电池的储能组件，可以迅速的存储及转移电能，例如，可以用于蓄电池的起动，驱动小型发动机，或者用于汽车电子系统，以期获得高效率的服务。
五、消费电子应用铁电体也可以用于消费电子应用，比如：电视、电脑、汽车、摄影和游戏等电子产品。
它可以帮助保护电子系统的安全，防止静电放电，防止火花等危害，以及提升产品的品质。
六、宽频应用铁电体还可以用于宽频应用，用于高频无线电设备。
它能够帮助增强宽频信号的传播距离及清晰度，并能有效抗干扰，例如：用于广播系统、收音机、电视天线、导航系统等，能够实现有效的信号传输。
铁电体的应用非常广泛，它不仅可以应用于电子、电气和机械领域，而且还可以用于宽频、消费电子和安全防护等领域，能够满足不同客户的需求。
因此，铁电体越来越受到消费者的青睐，它将成为未来电子产品发展的重要的一部分。
铁电体、热释电体、压电体和介电体及其之间的关系
铁电体、热释电体、压电体和介电体及其之间的关系
铁电体、热释电体、压电体和介电体都是电子材料种类之一，它们在电子领域和工业
领域中有着广泛的应用，是电子材料中的重要种类。
下面我们来了解一下这些电子材料之
间的关系。
铁电体：铁电体是具有铁电性的晶体材料，铁电性是材料自身结构的一个特性，即当
材料暴露在电场中时，会发生电偶极矩的取向变化。
这个特性使得铁电体在电子产品中有
非常广泛的应用，比如它可以用作电容器、震荡器、传感器、存储器等，这些器件在电子
产品中起到重要的作用。
热释电体：热释电体是一种能够将温度变化转化为电能的材料，也叫做热电材料。
热
释电体使用的原理是通过热电效应将热能转化为电能，这个效应是指材料在温度差异作用
下会产生电势差。
热释电体具有良好的稳定性和性能，可以应用于如温度测量、温差发电、制冷等领域。
介电体：介电体是一种在电场作用下不会导电的材料，介电体在电子器件中有广泛的
应用，比如用作电容器、滤波器、隔离器、保险丝等。
由于介电体具有较高的绝缘性能，
它可以防止电信号的干扰和噪声，可以使电子器件的性能更加稳定。
尽管以上这些电子材料在应用领域不同，但它们之间有着一些共同的特性，比如它们
都是晶体材料，都可以产生电势差并转化为电能，它们都可以在电子领域中应用，有着一
定的互相联系。
当然，它们也存在一些区别，这主要体现在各自使用效应的不同点上。
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。
- 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
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。
在铁电体的研究理论中就将铁电体内部分为许多小区域，每个小区域内的自发极化具有相同的方向，不同小区域内自发极化的方
向有所差异，这些小区域称为电畴，分离小区域的边界叫畴壁。
铁电体最主要的两个特征是电滞回线和一个使铁电体某些物理性质出现反常现象的临界温度T c(居里温度)。
（1）电滞回线电滞回线是铁电体的重要标志，它是判断一种材料是否是铁电体的主要依据。
图1-3 铁电体的电滞回线示意图
如图1-3所示，当给铁电材料加上正向电场时，极化强度随电场的变化呈现OB段的趋势，这主要是由于铁电材料的畴结构引起的。
由于在电场的作用下通过畴壁的移动，沿电场方向上的极化畴体积增大，逆电场方向上的极化畴体积减小，同时还存在着沿各个方向分布的畴自发极化向电场方向转向的过程，所以极化强度随电场的变化呈现OB段的趋势。
当电场很弱时，畴壁的可逆移动此时占据主导，当电场增大时，此时沿各个方向的自发极化转向占主导(畴壁的不可逆移动)，由于铁电体内畴的自发极化杂乱排列，当加上电场时自发极化无法进行快速统一的转向，所以OB段曲线并不是线性变化的，而是呈现出一种弛豫状态，这说明铁电体内部是由许多大小不一、自发极化方向不同的铁电畴构成的。
当到达B点时，畴的取向极化已经完成，整个晶体成为一个单一极化方向的电畴，当继续增加电场时，电畴的极化方向不在发生转向，但仍然像普通电介质那样产生位移极化，所以饱和后的P E
曲线呈现BC段的线性变化趋势。
如果在晶体极化饱和后减小外电场的值，极化强度将沿CBD段曲线减小，但当电场减为零时，晶体仍保持着一定的极化状态。
如果继续施加反向电场，极化强度将随着反向电场的增加而降低并且改变方向，直到电场达到某一值时，极化强度将在反向趋于饱和，如曲线DFG段所示。
如果将BC段推延至外场为零，在纵轴所截得的截距为OE，OE段对应的值P，是铁电体内自发极化强度的总和(实际是晶体内原来已经叫做自发极化强度
s
P，是当电场减为零时铁存在的自发极化强度的总和)。
OD段叫剩余极化强度
r
电体内部仍保留的极化强度，剩余极化强度表征了铁电体可被极化的能力，所以
我们希望剩余极化强度是越大越好的，一般在陶瓷中s P 稍高于r P ，在单晶中s P 等于r P 。
OA 和OF 段的值叫做矫顽场c E ，是使铁电体内部极化强度减为零时所需施加的反向电场，一般矫顽场越大铁电体的畴越难翻转也就是说畴越稳定，人们常用“hard ”来描述这种现象，但在大部分情况下这是我们不想看到的。
一般情况下我们希望矫顽场越小越好，但在某些特殊情况下，可能需要较大的矫顽场材料。
在电滞回线中B 点对应的极化强度值叫做最大剩余极化强度sat P ，它本身是最高电场的函数,电滞回线上的点实际上就表示铁电体产生一定极化强度所需要的能量，电滞回线的面积表示样品中以热量的形式损耗掉的能量，理想的电滞回线应该呈现完美的矩形，所以材料电滞回线的矩形度是衡量材料铁电性能强弱的一个重要指标，一个理想电容的-P E 曲线应该是一条直线，这是由于电容表面积累的电荷和所加的电场大小成正比的物理效应引起的，同样在两个相对表面涂上电极的非铁电体电介质材料的-P E 曲线也应该是线性的，但由于在电介质材料中存在漏电，在实际测量中这类材料的-P E 曲线通常呈现椭圆形。
（2）居里温度 介电常数也是铁电体的一个重要参数，一般情况下铁电体通常有异常高的介电常数，但这并不是评判铁电体的标准，因为在铁电体的定义中并没要求高的介电常数这个指标。
铁电体另外一个重要的特征就是存在一个临界温度点叫做居里点， 温度在居里点以下时铁电体才体现出铁电性，当温度超过居里点时，晶体结构由铁电相转变为顺电相，铁电性消失。
一般认为，由铁电相转变到顺电相的过程是由晶格结构的畸变引起的，是由对称性较低的晶格结构转变到对称性较高的晶格结构。
如果晶体具有多个温度相变点时，温度最高的那个相变点才是居里点，而把其它的铁电相与铁电相之间的转变温度叫相变温度(过度温度)。
如钛酸钡只有一个相变温度即居里点120C ︒ (4mm m3m)，而罗息盐[14]有两个相变温度24C ︒和-18C ︒，所以-18C ︒是相变温度，24C ︒是居里点。
当温度在居里点以上时，呈顺电相的铁电体满足Curie-Weiss 定律： 0C T T εε∞=+- (1-1)
式中 T ——实际温度(C ︒);
C ——Curie 常数(C ︒); 0T ——Curie-Weiss 温度(C ︒); ε∞ ——光频相对介电常数(1)。
在居里点附近，光频相对介电常数一般忽略不计，式(1-1)可以写成如下形式： 0C T T ε=- (1-2)
在居里点附近铁电体的一些物理性质将出现反常现象，值得注意的是居里温度是用外推法所获得的一种算式常数，而居里点是结构转变的实际温度，一般来
说它们是不一致的。
对于一个具有二次相变的铁电体，居里温度和居里点有可能一样，但是对于一次相变的情况下，居里温度可能比居里点低10C
左右[14,15]。
但也有例外，六水硫酸铝胍和亚硒酸三氢锂直到分解仍是铁电体，没有居里点。
氟铍酸铵和硫酸铵有一个转变温度，此温度下是铁电体，此温度以上不服从居里-外斯定律。