4.3(3)铁电性能解析
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。
4.2 材料的压电性与铁电性能
材料的压电性能与铁电性能
石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关。下图是一个单 元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于 z 轴的xy平 面上的投影，等效为一个正六边形排列。 图中“ +” 代表硅离子 Si4+， “-”代表氧离子O2-。
x ＋ － y ＋ o P 1 － ＋ y x F x x A ＋＋ ＋＋ F y y ＋ － P 1－ P 2 P 3 C ＋ o ＋ － B －－ －－ F y A － － － －－ － － ＋ P 1 o － － P 3 ＋
方硼石(boracite) 异极矿(calamine)
非晶方性结构 (anisotropic)
黄晶(topaz)
若歇尔盐(Rochellesalt)
晶方性(isotropic)结构是 不会产生压电性的
材料的压电性能与铁电性能
压电效应的应用
在居里兄弟发现“压电效应”后的三分之一个世纪中，压电效应在应用 上几乎没有受到任何重视；
具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机—电
能量的相互转换。
机械量
压电元件
电量
材料的压电性能与铁电性能
压电效应的发展历程
压电效应(Piezoelectric effect)是J. Curie和P. Curie兄弟于 1880年在α石英晶体上首先发现的。
研究对称晶体与压电现象的关系
发现：在某一类晶体中施加压力会产生电性 系统研究了施压方向和电场强度之间的关系
－－－－－－－
由电导过程引起 ② 另一种为无功部分(或异相)IR：
由介质弛豫过程引起
+ + + + + + +
介质损耗即为上述的异相分量 与同相分量的比值
铁电性能
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4. 介电常数
铁电体的极化强度和外加电压的关系是非线性的，即其介电常数不是一个常数，随 外电场的增大而增大
铁电体的优点：介电常数可以很大，r最大可以超过10万，这对制造大容量小体积
的电容器十分有意义
铁电体的缺点：用作电容器介质材料时，不适宜性也很多。例如： 随电压变化大 产生电致伸缩现象 呈现电滞回线，因而损耗很大 耐电性能差 老化严重
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课堂作业
1、氢在1大气压下是绝缘体，但在高压下却变成导体（具有金 属特性），为什么？ 2、空气是一种介电强度很小的电介质，基此，请解释闪电的 起源。
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3. 居里点
通常铁电体的自发极化只在一定温度范围内呈现，当温度高于某一临界温度TC，自 发极化消失，我们称这一过程为铁电相到顺电相的转变，一般伴随结构相变。这一 临界温度TC叫居里点或居里温度 居里温度附近具有最大介电常数，这对制造小体积大容量的电容器具有重要意义
可以利用固溶体的方法来达到改变铁电体介电性质使居里点符合使用条件： BaTiO3加入低TC的SrTiO3，使TC向低温侧移，加入高TC的PbTiO3，则使TC向高温 侧移。这些能使居里温度改变的添加剂叫移峰剂 为了克服居里点处介电常数随温度变化太快，也可以加入使峰值展宽的所谓展 宽剂或压峰剂。如在BaTiO3中加入Bi2/3SnO3使峰值展宽,致使居里点几乎消失，显
位移型铁电体：自发极化起因于一类离子的亚点阵相对于另一类亚点阵的整体 位移。这类铁电体的结构大多同钙钛矿结构及钛铁矿结构紧密相关，如BaT化的微观机理
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
在 居 里 温 度 （ 120℃ ） 以 上 ， Ba2+ 离 子 处 于立方点阵顶角位置，O2-离子处于面心位 置，钛离子进入八面体空隙（体心位置）
4-3 铁电材料与器件
用于FRAM的铁电薄膜应满足以下要求。（1）合 理的剩余极化强度，大约在5μC·cm-2左右，保证反转极 化时能出现足够多的电荷；（2）电滞回线矩形性好且 矫顽场较低，保证不发生误写误读，且工作电压低到与 半导体集成电路相容；（3）开关速度快，要在纳秒级 别；（4）疲劳特性好，在1015次极化反转后仍无明显的 疲劳；（5）加工工艺性和稳定性要好，易于集成到 CMOS工艺中去；（6）不容易退极化，数据保持能力 和持久能力要好。
4.3.2 铁电材料 有重要实用价值的铁电材料主要有以下几种类型，钙
钛矿型、铌酸锂型、钨青铜型、铋层状型、氢键型以及含 甘氨酸的铁电体。 （1）钙钛矿结构铁电陶瓷
钙钛矿结构的钛酸钡晶体结构
钙钛矿结构是由钛酸钙（CaTiO3）得名的，其通式为 ABO3，有A2+B4+O3和A1+B5+O3两种。BO6形成氧八面体， O在顶角，B在八面体的中心，B离子偏离氧八面体中心 相对位移产生自发极化，每个O都是两个氧八面体的顶角， 因此，钙钛矿结构可以看成是许多氧八面体BO6共点连接 而成，八面体之间配位数为12的位置则由A离子占据。理 想钙钛矿结构中离子半径之间存在如关系：
去除电压 源极
金属电极 删极
铁电层 漏极
对某个单元施加正或负电压，当电压达到矫顽电压时， 极化即被反转，完成写入操作，当移去电场后，电极化状态 仍然保持，因此可以检测极化电荷对数据进行读取。由于铁 电薄膜畴的翻转需要电压不高，所以不需要高压来写入擦出 数据，而且写入速度快不会导致擦写延迟，在掉电后也能够 保留数据，所以也是一种兼具动态随机存储器RAM和静态存 储器ROM性能的非易失存储器。铁电存储器具有功耗小、读 写速度快、抗辐照能力强的优点，在需要快速存储和低功耗 的仪表、汽车电子系统、通讯、消费电子产品、计算机、医 疗设备以及在军用宇航需要抗辐照性能的场合有很多应用。
四氧化三铁晶体导电的原因
四氧化三铁晶体导电的原因四氧化三铁晶体导电的原因铁氧化物作为一种重要的化合物，在我们的生活中扮演着非常重要的角色，其中四氧化三铁晶体是一种独具特色的氧化铁晶体，具有优良的导电性能。
那么什么原因导致了四氧化三铁晶体的导电性呢？下面，我将从不同的层面加以解释。
1. 离子键结构首先，从结构上来讲，四氧化三铁晶体的结构中含有丰富的离子键。
在固体中，离子键通常是指由带正电荷的阳离子和带负电荷的阴离子组成的化学键。
在四氧化三铁晶体中，铁和氧元素通过离子键结合在一起，形成了三维的晶格结构。
由于离子键结构的高度稳定性，铁氧化物的晶体能够保持良好的结构稳定性，使得其中的电子在离子的两个端点之间形成导电行为。
2. 红外吸收谱其次，从分析技术上来讲，四氧化三铁晶体的导电性与其红外吸收谱息息相关。
红外吸收谱是一种用来研究有机物和无机物分子结构的技术，其实现原理是将红外光谱与样品相互作用，在样品分子中产生的振动、转动或变形等行为的结果能够和物质的分子结构联系起来。
在四氧化三铁晶体中，铁和氧原子之间的键合是通过共价键相互链接的。
这种键合在四氧化三铁晶体中的特点是键长较短，键的电子云密度较大，所以导电性较强。
3. 晶体缺陷密度最后，从晶体缺陷密度上来说，晶体中的缺陷是导致导电性变化的重要原因。
晶体的缺陷可分为点缺陷、线缺陷和平面缺陷三种类型。
这些缺陷直接影响了四氧化三铁晶体的导电性能。
在晶体中，空穴、氧空位和铁离子缺陷是常见的缺陷形式。
它们会改变晶体的电荷分布，导致晶体的导电性发生变化。
结语总的来说，四氧化三铁晶体的导电性是由多个因素共同决定的，包括离子键结构、红外吸收谱以及晶体缺陷密度等。
因此，对于铁氧化物晶体导电性的研究，需要我们对晶体结构、缺陷形态等方面有深刻的理解，才能更加完整地了解四氧化三铁晶体导电的本质。
4.3(3)铁电性能
与同型铁电体相近，介电系数和结构相变上出现
反常,在相变温度以上，介电系数与温度的关系遵 从居里-外斯定律。 但也具有不同之处：在相变温度以下，一般情况 下并不出现自发极化亦无与此有关的电滞回线。
反铁电体-邻近晶胞沿反平行方向自发极化
反铁电体一般宏观无剩余极化强度，但在很 强的外电场作用下，可以诱导成铁电相，其P －E呈双电Tc:铁电材料重要参数
通常铁电体的自发极化只在一定温度范围内呈 现，当温度高于某一临界温度Tc时，自发极化 消失。 Tc以下，局部电场作用大于热激发，偶极子趋 于平行排列而出现铁电畴； Tc以上，热激发大 于局部电场作用，偶极子趋于无序排列而变为 顺电相。
铁电材料的特征
4.3压电性、热释电性、铁电性 能 压电效应：
对压电晶体在一定方向上施加机械应力时，在其 两端表面上会出现数量相等、符号相反的束缚电 荷；作用力相反时，表面荷电性质亦反号，而且 在一定范围内电荷密度与作用力成正比，称为正 压电效应
反之，在一定方向的电场作用下，则会产生外形 尺寸的变化，在一定范围内，其形变与电场强度 成正比，称为逆压电效应-电致伸缩
电畴“转向”
* 铁电畴在外电场作用下，总是要趋向于与 外电场方向一致。这形象地称作电畴“转 向”。 * 实际上电畴运动是通过在外电场作用下新 畴的出现、发展以及畴壁的移动来实现的。
电滞回线
铁电体的电滞回线是铁电畴在外电场作用下运动的宏观描述
反铁电体
具有反铁电性的材料统称为反铁电体。
反铁电体与铁电体具有某些相似之处：晶体结构
4、介电常数
铁电材料的特征
4、介电常数
钙钛矿型铁电体具有很高的介电常数。
实际制造中需要解决调整居里点和居里点处介电
铁电性能综合测试概要
铁电薄膜的铁电性能测量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。
晶体的对称性可以划分为32种点群。
在无中心对称的21种晶体类型种除432点群外其余20种都有压电效应，而这20种压电晶体中又有10种具热释电现象。
热释电晶体是具有自发极化的晶体，但因表面电荷的抵偿作用，其极化电矩不能显示出来，只有当温度改变，电矩（即极化强度）发生变化，才能显示固有的极化，这可以通过测量一闭合回路中流动的电荷来观测。
热释电就是指改变温度才能显示电极化的现象，铁电体又是热释电晶体中的一小类，其特点就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 之间形成电滞回线是铁电体的一个主要特性。
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。
晶体红，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，在受机械约束时，伴随着自发极化的应变还将使应变能增加，所以均匀极化的状态是不稳定的，晶体将分成若干小区域，每个小区域称为电畴或畴，畴的间界叫畴壁。
畴的出现使晶体的静电能和应变能降低，但畴壁的存在引入了畴壁能。
总自由能取极小值的条件决定了电畴的稳定性。
参考资料[1]钟维烈，铁电物理学，科学出版社，1996。
铁电材料的结构与性能分析
铁电材料的结构与性能分析铁电材料是一种具有特殊性质的材料，其极化方向可以被电场反向改变，即在施加电场的情况下，铁电材料可以变成两种电极化状态。
这种特殊的性质使铁电材料在信息存储、显示器、传感器等领域具有广泛的应用前景。
因此，铁电材料的研究受到了广泛关注。
本文将从结构与性能两个方面分析铁电材料。
一、铁电材料的结构铁电材料通常具有含有铁元素的晶体结构。
铁电材料的结构独特，由于其晶体结构不对称，从而使得材料具有铁电性。
铁电材料中，铁离子在结构中的偏移会导致电偶极矩的形成，从而使得材料具有极化的特性。
铁电材料一般具有三个晶向的极化方向，分别对应了材料x、y、z三个坐标轴方向上的铁电极化。
铁电材料中，晶格结构的对称性是决定其铁电性的关键。
在铁电材料中，通常采用的是ABO3型的晶体结构，其中A、B、O分别代表阳离子、阴离子和氧离子。
一般来说，B元素占据着晶体结构的中心位置，而A和O元素位于B元素的四周。
在这种结构中，B元素通过氧原子与周围的A和O元素相连，形成了一种类似八面体的晶体结构，称为钛酸盐结构。
钛酸盐结构中，晶体结构的对称性并不完全，因此具有铁电性。
二、铁电材料的性能铁电材料具有许多独特的性质，包括极化、介电性、压电性、热电性、磁性等。
这些性质使得铁电材料在信息存储、传感器、电容等领域有广泛的应用。
1. 极化性铁电材料的极化性是其最为突出的特点。
铁电材料在施加电场的情况下，具有电极化的能力。
此外，铁电材料的电极化方向也可以被反向改变。
因此，铁电材料可以用来制造电容器、传感器等器件。
2. 介电性铁电材料的介电常数比一般的材料大得多。
这使得铁电材料在制造磁性介质、电容器、滤波器等领域有广泛的应用。
3. 压电性铁电材料在施加Mechanical Stress的情况下可以发生极化，而且极化程度随着压力的增加而增加。
这种性质使得铁电材料在制造传感器、压力开关、振动加速度计等领域有广泛的应用。
4. 热电性铁电材料具有较大的热电效应，因此可以用于制造温度传感器、温度控制器等。
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电畴“转向”
* 铁电畴在外电场作用下，总是要趋向于与 外电场方向一致。这形象地称作电畴“转 向”。 * 实际上电畴运动是通过在外电场作用下新 畴的出现、发展以及畴壁的移动来实现的。
电滞回线
铁电体的电滞回线是铁电畴在外电场作用下运动的宏观描述
反铁电体
具有反铁电性的材料统称为反铁电体。
反铁电体与铁电体具有某些相似之处：晶体结构
4.3压电性、热释电性、铁电性 能 压电效应：
对压电晶体在一定方向上施加机械应力时，在其 两端表面上会出现数量相等、符号相反的束缚电 荷；作用力相反时，表面荷电性质亦反号，而且 在一定范围内电荷密度与作用力成正比，称为正 压电效应
反之，在一定方向的电场作用下，则会产生外形 尺寸的变化，在一定范围内，其形变与电场强度 成正比，称为逆压电效应-电致伸缩
钛酸钡晶体结构
BaTiO3自发极化方微观机理
铁电滞回线
铁电畴
铁电体自发极化的方向不相同，但在一个小区域内， 各晶胞的自发极化方向相同，这个小区域就称为铁 电畴。 两畴之间的界壁称为畴壁。 铁电畴壁的厚度很薄,大约是几个晶格常数的量级。 （90°畴壁50～100Å， 180°畴壁5～20Å）
值，即降低-T非线性，也使工作状态相应于ε～T平
缓区。
实际应用
• 铁电体可用来作信息存储、图象显示。 • 利用晶体的电光效应可制作光调制器、晶体 光阀、电光开关等光器件。
铁电材料的特征
3、居里点Tc:铁电材料重要参数
通常铁电体的自发极化只在一定温度范围内呈 现，当温度高于某一临界温度Tc时，自发极化 消失。 Tc以下，局部电场作用大于热激发，偶极子趋 于平行排列而出现铁电畴； Tc以上，热激发大 于局部电场作用，偶极子趋于无序排列而变为 顺电相。
铁电材料的特征
铁 电 体
热 电 体
压 电 体
电 介 体
电介质、压电体、热 电体和铁电体的关系
4.3压电性、热释电性、铁电性 能
• 铁电性能概念 • 铁电晶体分类 • 铁电材料的特征 • 铁电体的性能及其应用
铁电晶体分类
铁电材料的特征
1、自发极化的微观机理（位移型）
• 钛酸钡具有ABO3型钙钛矿结构 • 钛酸钡晶体的自发极化是由晶胞中钛离子的位移 引起正负电荷中心不重合产生永久电偶极子
4.3压电性、热释电性、铁电性 能 热释电效应：均匀加热电气石晶体时，在其表
面上出现数量相等、符号相反的束缚电荷，如果 将其冷却，电荷的变化同加热时相反。
铁电体：在一定温度范围内具有自发极化性质， 并且自发极化方向可随外电场作可逆转动的晶体。 铁电性：铁电体所具有的自发极化性质
4.3压电性、热释电性、铁电性能
4、介电常数
铁电材料的特征
4、介电常数
钙钛矿型铁电体具有很高的介电常数。
实际制造中需要解决调整居里点和居里点处介电
常数的峰值问题，这就是所谓“移峰效应”和
“压峰效应”。
铁电材料的特征
4、介电常数
在铁电体中引入某种添加物生成固溶体，改变原来 的晶胞参数和离子间的相互联系，使居里点向低温 或高温方向移动，这就是“移峰效应”。 “压峰效应”是为了降低居里点处的介电常数的峰
与同型铁电体相近，介电系数和结构相变上出现
反常,在相变温度以上，介电系数与温度的关系遵 从居里-外斯定律。 但也具有不同之处：在相变温度以下，一般情况 下并不出现自发极化亦无与此有关的电滞回线。
反铁电体-邻近晶胞沿反平行方向自发极化
反铁电体一般宏观无剩余极化强度，但在很 强的外电场作用下，可以诱导成铁电相，其P －E呈双电滞回线。