第六章 铁电物理与性能学
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铁电物理一般性质和电畴PPT共36页
39、没有不老的誓言，没有不变的承 诺，踏 上旅途 ，义无 反顾。 40、对时间的价值没有没有深切认识 的人， 决不会 坚韧勤 勉。
6、最大的骄傲于最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——笛卡儿
铁电物理一般性质和电畴
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。
Thank you
6、最大的骄傲于最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——笛卡儿
铁电物理一般性质和电畴
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。
Thank you
铁电性能
示出直线型的温度特性，而介电常数r仍能保持近2000
8
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
9
10
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。
11
7
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）
8
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。
11
7
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）
铁电物理简介_
2012-9-29
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
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
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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
第六章铁电性能和压电性能_材料物理.
(a)
(b)
(c)
0.1m
0.1m
1.0m
多晶LiTaO3晶粒内箭尾型90电畴结构与曲流状180电畴结构
(a)
(b)
0.1m
0.2m
多晶LiTaO3晶粒内薄片状和箭尾型90电畴结构
(a)
(b)
0.4m
0.2m
多晶LiTaO3晶粒内90尖劈状畴与180曲流状畴
(a)
(b)
离子位移理论
正方结构BaTiO3中， Ti4+ 、O2-离子的位移情况 两 个 O2- 离 子 间 的 空 隙 大于 Ti4+ 离子的直径， 其在氧八面体内有位移 的余地，温度较高时 （大于120°C），离子 热振动能较大，因此 Ti4+ 离 子 接 近 周 围 6 个 O2- 离 子 的 几 率 相 等 ， 晶胞内不会产生电矩， 自发极化为0。 温度降低（小于 120°C）， Ti4+离子 热振动能降低，热振 动能特别低的 Ti4+ 不 足以克服 Ti4+ 和 O2- 离 子间的电场作用，就 有 可 能 向 某 一 个 O2离子靠近，发生自发 位 移 ， 使 这 个 O2- 离 子发生强烈的电子位 移极化。 晶体沿着这个 方向延长，晶 胞发生畸变， 晶体从立方结 构转变为四方 结构，晶胞中 出现了电矩， 即发生了自发 极化。
-----铁电体的最重要判据 -----铁电体具有许多独特性质的主要原因
热释电体 (Pyroelectrics)：具有自发极化的晶体--极性晶体 铁电体是热释电体的一个亚族
铁电态下，晶体的极化与电场的关系：电滞回线，铁电态 的一个标志。
Ps－饱和极化强度
Pr－剩余极化强度（remanent polarization）
第六章 铁电体性能及其微结构 01概述
畴结构
畴是原子或离子极化子有序排列的区域。通常每个畴 内原子或离子作周期性重复排列，畴与畴之间有边界—畴 壁。畴的大小、形貌、取向和对称性取决于材料的内禀性 质（如交换能、各向异性能、形变能和缺陷等）及外场和 温度的变化。
铁电畴：相邻两畴的自发极化方向呈反平行方向排列的畴称180度畴， 相邻两畴的自发极化方向呈90度称90度畴，其间的畴壁分别称180度和90度畴 壁。由于晶粒取向是随机的，在没有外电场时，整个晶体宏观上不显示电偶极 矩。
t
Z
当晶片受到沿X轴方向
的压缩力Fx作用时，晶片 X
Y
将产生厚度变形，在垂直
于电轴的两表面产生电荷 。
l
b
石英晶体切片
压电陶瓷
若陶瓷的主晶相为铁电体，外加电场使电 畴重新排列，各个晶粒的自发极化方向趋于一 致，对外就显示宏观的剩余极化，原来相互抵 消的各个晶粒本身所固有的压电效应便对外呈 现出宏观的压电效应，于是铁电陶瓷就变成了 压电陶瓷。
130℃～0℃晶体为四方晶系，自发极化沿c轴[001]方向； 0℃～-90 ℃为斜方晶系，自发极化沿[011]方向；-90 ℃以下 为菱形结构，自发极化沿[111]方向。
k= ke +ki+ ko+ ks
7
8
9
10
11
三、 介电弛豫
极化适应外电场频率变化的能力是不一样的。 极化子质量较大的空间极化与取向极化，由于惯性大， 无法跟随高额电场变化，只在较低频率下起作用。起 因于离子位移的离子极化能适应更高的频率(约1013Hz)。 电子云的变形引起的电于极化则有极高的适应速度 (约1016Hz)。
第六章 材料的介电特性
§ 6.1 电介质基本概念
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)。
第六章铁电性能和压电性能_材料物理(2)
11
4．克劳修斯—莫索蒂方程 ．克劳修斯 莫索蒂方程 设总电通量密度为D（单位：库仑/m2 ），其数值为电场 设总电通量密度为 （单位：库仑 ），其数值为电场 E和偶极子电场 之和： 和偶极子电场P之和 和偶极子电场 之和： D=P+ε0 E =εE ε ε 将 代入式（ ）， ），得 代入式（6.8），得
6
莫索蒂方程： 二、克劳修斯-莫索蒂方程：介电常数和极化率的关系 克劳修斯 莫索蒂方程 1．宏观电场E ．宏观电场 由右图可看出， 由右图可看出，在介质 电容器中，总电荷Q0中只有 电容器中，总电荷 一部分是自由电荷， 一部分是自由电荷，它建立 一个指向外部的电场和电压。 一个指向外部的电场和电压。 其余是束缚电荷， 其余是束缚电荷，它们的外 电场都被电介质的极化所抵 消。 所以极化强度P造成的 所以极化强度 造成的 电场可以认为是表面束缚电 荷引起的。 荷引起的。
10
（6.6）
（6.7) 2)洛伦兹关系 洛伦兹关系: 洛伦兹关系 式（6.5）中的E3是唯一由晶体结构决定的一项。已经证 ）中的 是唯一由晶体结构决定的一项。 对于球体中具有立方对称的参考位置， 明，对于球体中具有立方对称的参考位置，如果所有原子都可 以用彼此平等的点型偶极子来代替， 以用彼此平等的点型偶极子来代替，则E3 =0，所以： ，所以： （6.8） 这就是洛伦兹关系。 即为宏观电场 即为宏观电场。 这就是洛伦兹关系。 E即为宏观电场。
∑µ P= V
（6.2）
单位为[库仑 米 即 单位为 库仑/米2](即C/m2) 。 库仑 极化强度表示了电介质极化而引起的电容器表面电荷密 度的增加。 度的增加。
5
5.标量形式的极化强度 标量形式的极化强度P: 标量形式的极化强度 如果每一偶极子的电偶极矩具有同一方向，则 如果每一偶极子的电偶极矩具有同一方向， P=µn=nαEloc (6.3)
4．克劳修斯—莫索蒂方程 ．克劳修斯 莫索蒂方程 设总电通量密度为D（单位：库仑/m2 ），其数值为电场 设总电通量密度为 （单位：库仑 ），其数值为电场 E和偶极子电场 之和： 和偶极子电场P之和 和偶极子电场 之和： D=P+ε0 E =εE ε ε 将 代入式（ ）， ），得 代入式（6.8），得
6
莫索蒂方程： 二、克劳修斯-莫索蒂方程：介电常数和极化率的关系 克劳修斯 莫索蒂方程 1．宏观电场E ．宏观电场 由右图可看出， 由右图可看出，在介质 电容器中，总电荷Q0中只有 电容器中，总电荷 一部分是自由电荷， 一部分是自由电荷，它建立 一个指向外部的电场和电压。 一个指向外部的电场和电压。 其余是束缚电荷， 其余是束缚电荷，它们的外 电场都被电介质的极化所抵 消。 所以极化强度P造成的 所以极化强度 造成的 电场可以认为是表面束缚电 荷引起的。 荷引起的。
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（6.6）
（6.7) 2)洛伦兹关系 洛伦兹关系: 洛伦兹关系 式（6.5）中的E3是唯一由晶体结构决定的一项。已经证 ）中的 是唯一由晶体结构决定的一项。 对于球体中具有立方对称的参考位置， 明，对于球体中具有立方对称的参考位置，如果所有原子都可 以用彼此平等的点型偶极子来代替， 以用彼此平等的点型偶极子来代替，则E3 =0，所以： ，所以： （6.8） 这就是洛伦兹关系。 即为宏观电场 即为宏观电场。 这就是洛伦兹关系。 E即为宏观电场。
∑µ P= V
（6.2）
单位为[库仑 米 即 单位为 库仑/米2](即C/m2) 。 库仑 极化强度表示了电介质极化而引起的电容器表面电荷密 度的增加。 度的增加。
5
5.标量形式的极化强度 标量形式的极化强度P: 标量形式的极化强度 如果每一偶极子的电偶极矩具有同一方向，则 如果每一偶极子的电偶极矩具有同一方向， P=µn=nαEloc (6.3)
材料物理与性能知识点
4·材料在塑性变形时，位错密度大大增加，从而使材料出现加工硬化。当外加应力超过屈服强度时，位错开始滑移。如果位错在滑移面上遇上障碍物，就会被障碍物钉住而难以继续滑移。
5·热弹性高分子材料在塑性变形时的硬化现象，其原因不是加工硬化，而是长链分子发生了重新排列甚至晶化。
6·加工硬化原理（此是考试重点）：经过冷加工的金属材料位错密度大大增大，位错之间的相互作用也越大，对位错进行的滑移的阻力也越大，这就是加工硬化原理。
3·缩颈：韧性金属材料在拉伸实验时变形集中于局部区域的特殊现象，他是应变硬化和截面积减小共同作业结果。
第四章 导电物理与性能
1.导电原理极其主要特征：（个人认为必考）
经典自由电子导电理论，连续能量分布的价电子在均匀势场中的运动。
量子自由电子理论，不连续能量分布的价电子在均匀势场中的运动。
2）抗热冲击损伤性：在热冲击循环作用下，材料表面开裂，剥落并不断发展，最终失效或断裂；材料抵抗这类破坏的能力。
7·热膨胀的物理本质归结为点阵结构中的质点间平均距离随温度的升高而增大。
8·热传导的微观机理：声子传导和光子传导。
第二章-缺陷物理与性能
1·晶体缺陷的类型 分类方式：
电子云位移极化的特点：
a) 极化所需时间极短，在一般频率范围内，可以认为ε与频率无关；
b)具有弹性，没有能量损耗。
c)温度对电子式极化影响不大。
3·离子位移极化：正、负离子产生相对位移.
主要存在于离子化合物材料中，如云母、陶瓷等。
离子位移极化的特点：
a) 时间很短，在频率不太高时，可以认为ε与频率无关；
第一章-材料的热学性能
1·杜隆-珀替将气体分子的热容理论直接应用于固体,从而提出了杜隆－珀替定律（元素的热容定律）：恒压下元素的原子热容为。实际上，大部分元素的原子热容都接近该值，特别在高温时符合的更好。
5·热弹性高分子材料在塑性变形时的硬化现象，其原因不是加工硬化，而是长链分子发生了重新排列甚至晶化。
6·加工硬化原理（此是考试重点）：经过冷加工的金属材料位错密度大大增大，位错之间的相互作用也越大，对位错进行的滑移的阻力也越大，这就是加工硬化原理。
3·缩颈：韧性金属材料在拉伸实验时变形集中于局部区域的特殊现象，他是应变硬化和截面积减小共同作业结果。
第四章 导电物理与性能
1.导电原理极其主要特征：（个人认为必考）
经典自由电子导电理论，连续能量分布的价电子在均匀势场中的运动。
量子自由电子理论，不连续能量分布的价电子在均匀势场中的运动。
2）抗热冲击损伤性：在热冲击循环作用下，材料表面开裂，剥落并不断发展，最终失效或断裂；材料抵抗这类破坏的能力。
7·热膨胀的物理本质归结为点阵结构中的质点间平均距离随温度的升高而增大。
8·热传导的微观机理：声子传导和光子传导。
第二章-缺陷物理与性能
1·晶体缺陷的类型 分类方式：
电子云位移极化的特点：
a) 极化所需时间极短，在一般频率范围内，可以认为ε与频率无关；
b)具有弹性，没有能量损耗。
c)温度对电子式极化影响不大。
3·离子位移极化：正、负离子产生相对位移.
主要存在于离子化合物材料中，如云母、陶瓷等。
离子位移极化的特点：
a) 时间很短，在频率不太高时，可以认为ε与频率无关；
第一章-材料的热学性能
1·杜隆-珀替将气体分子的热容理论直接应用于固体,从而提出了杜隆－珀替定律（元素的热容定律）：恒压下元素的原子热容为。实际上，大部分元素的原子热容都接近该值，特别在高温时符合的更好。
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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.
压电薄膜传感器及其在心脏监测中的应用
原 理 介 绍
关于…
压电薄膜传感器的设计 PVDF（聚偏氟乙烯） 压电薄膜是一种新型的高分子压电材料，在医 用传感器中应用很普遍。它既具有压电性又有 薄膜柔软的机械性能，用它制作压力传感器， 具有设计精巧、使用方便、灵敏度高、频带宽、 与人体接触安全舒适，能紧贴体壁，以及声阻 抗与人体组织声阻抗十分接近等一系列特点， 可用于脉搏心音等人体信号的检测。脉搏心音 信号携带有人体重要的生理参数信息，通过对 该信号的有效处理，可准确得到波形、心率次 数等可为医生提供可靠的诊断依据。
铁电体的物理效应
压电效应 热释电效应 电致伸缩效应 光学效应
对晶体对称性的研究,法国居里发现压电效应
Pierre Curie was born in Paris, on May 15, 1859.
Pierre was killed in a street accident in Paris on April 19, 1906
压电材料的种类
压电材料可以分为两大类: 压电晶体和压 电陶瓷 。
压电晶体
（1）以KDP--为代表，具有氢键，他们从顺电 相过渡到铁电相是无序到有序的相变。 （2）以钛酸钡为代表，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。 （3）铁电单晶作为压电材料大量使用的主要 是LiNbO3和LiTaO3。作为压电材料，它们的特 点之一是机电耦合因数大。
电能
正压电效应 逆压电效应
机械能
晶体受外应力产生的压电效应示意图
（a） 没有外力的原始状态；（b）受压应力晶体内部电荷的变化；（c） 受拉应力晶体内部电荷的变化
压电材料的主要特性参数
（1） 压电常数：衡量材料压电效应强弱的参数,
它直接关系到压电输出的灵敏度。 电位移D与外应力张量T成正比.:
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
Non-Volatile RAMs (memory)
Smart cards use ferroelectric memories. They can hold relatively large amounts of information and do not wear out from use, as magnetic strips do, because they use contactless radio frequency input/output. These cards are the size and shape of credit cards but contain ferroelectric memory that can carry substantial information, such as its bearer's medical history for use by doctors, pharmacists and even paramedics in an emergency. Current smart cards carry about 250 kilobytes of memory.
(4)压电薄膜
体材料压电器件因受尺寸限制频率一般不超过数百兆赫，压 电薄膜可大大提高工作频率，并为压电器件的微型化和集成化创 造条件．虽然迄今实用较多的压电薄膜是ZnO等非铁电材料，但铁 电薄膜的压电效应强得多，是非铁电材料不可替代的。
补充：压电半导体材料 如ZnO、CdS 、CdTe，这种力敏器 件具有灵敏度高，响应时间短等优点。 此外用ZnO作为表面声波振荡器的压电 材料，可测取力和温度等参数。
铁电相变
无序—有序型相变铁电体
（涉及到多组元固溶体中两种或多种原子在 晶格点阵上排列有序化） 磷酸二氢钾（KDP）为例
KDP相变
KDP相变
(· )表示(H2PO4)-中的两个质子在磷酸根（PO4）3-四面体四周的排列方式
KDP晶体中与c轴垂 直平面内质子的运动 方向
KDP相变
KDP的铁电性由质子的有序化造成的 氢键本身对自发极化强度并无贡献，质 子的有序化只是起了协调作用 温度低于居里转变温度时，系统的稳定 状态为完全极化态。
D=dT （d为压电矩阵常数）
（2） 介电常数：反映了材料的介电性质（或极 化性质）。当压电材料的电行为用电场强度E和电位 移D作为变量来描述时，有 D=εE
压电材料的主要特性参数
（3） 机械耦合系数：衡量压电材料机电能量转换
效率的一个重要参数。
在压电效应中, 其值等于转换输出能量（如电能） 与输入的能量（如机械能）之比的平方根。
温度高于居里温度时：钛离子的平均热运动能量足 以克服钛离子位移后形成的内电场对钛离子的定向 作用。整个晶胞的等效电偶极矩为零，所以不出现 自发极化。 当温度较低时，钛离子的平均热运动能量位移后因 钛氧离子间的相互作用所形成的内电场，因此就向 着某一个氧离子产生自发位移，从而使这个晶胞出 现电偶极矩。
居里温度 （ Tc,c）
温度高于c时，晶体不具有铁电性，温度低 于c时，晶体呈现出铁电性。 通常认为晶体的铁电结构是由其顺电结构经 过微小畸变而得，所以铁电相的晶格对称性 总是低于顺电相的对称性。 如果晶体存在两个或多个铁电相时，只有顺 电-铁电相变温度才称为居里点；晶体从一 个铁电相到另一个铁电相的转变温度称为相 变温度或过渡温度。
（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)。
压电陶瓷的压电效应
压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多 晶压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。 电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从 而存在一定的电场。在无外电场作用时，各个电畴在晶 体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始 的压电陶瓷内极化强度为零，见图（a）。
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。
耐电性能差
老化严重
居里-外斯定律Curie-Weiss law
当温度高于居里点时，铁电体的介电常数与 温度的关系服从居里-外斯定律：
C T-
式中： Θ为特征温度，一般低于居里点； C为居里常数；ε∞ 代表电子极化对介电常数 的贡献，在过渡温度时， 可以忽略。
铁电晶体的分类
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。
一、压电效应 正压电效应 （ 顺压电效应 ）：某些电介质，当沿着
一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象， 同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重 新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷 极性也随着改变。
逆压电效应 （ 电致伸缩效应 ）：当在电介质的极化
方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变 形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也 随之消失的现象。
出现自发极化的必要条件是：晶体结构不具有对称 中心 不具有对称中心的晶体并非都有自发极化效应。 CaTiO3属钙钛矿结构，但Ca2+离子半径小，氧八 面体空隙小，Ti3+不易移动，因而CaTiO3晶体无 自发极化效应
BaTiO3极化机理
目前普遍认为：钛酸钡的自发极化是由 晶胞中钛离子的位移造成的。
电滞现象与电滞回线（以钛酸钡为例）
t 120 C
o
P
t 120 C
o
P
B
Ps
A
Pr
o
E
Ps
C
o
Pr
E
D
温度较高时，电极 化强度与电场强度 成正比。
温度较低时，电极化强度与 电场强度不成正比，而是滞 后于电场强度的变化，形成 电滞回线。
压电薄膜传感器及其在心脏监测中的应用
原 理 介 绍
关于…
压电薄膜传感器的设计 PVDF（聚偏氟乙烯） 压电薄膜是一种新型的高分子压电材料，在医 用传感器中应用很普遍。它既具有压电性又有 薄膜柔软的机械性能，用它制作压力传感器， 具有设计精巧、使用方便、灵敏度高、频带宽、 与人体接触安全舒适，能紧贴体壁，以及声阻 抗与人体组织声阻抗十分接近等一系列特点， 可用于脉搏心音等人体信号的检测。脉搏心音 信号携带有人体重要的生理参数信息，通过对 该信号的有效处理，可准确得到波形、心率次 数等可为医生提供可靠的诊断依据。
铁电体的物理效应
压电效应 热释电效应 电致伸缩效应 光学效应
对晶体对称性的研究,法国居里发现压电效应
Pierre Curie was born in Paris, on May 15, 1859.
Pierre was killed in a street accident in Paris on April 19, 1906
压电材料的种类
压电材料可以分为两大类: 压电晶体和压 电陶瓷 。
压电晶体
（1）以KDP--为代表，具有氢键，他们从顺电 相过渡到铁电相是无序到有序的相变。 （2）以钛酸钡为代表，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。 （3）铁电单晶作为压电材料大量使用的主要 是LiNbO3和LiTaO3。作为压电材料，它们的特 点之一是机电耦合因数大。
电能
正压电效应 逆压电效应
机械能
晶体受外应力产生的压电效应示意图
（a） 没有外力的原始状态；（b）受压应力晶体内部电荷的变化；（c） 受拉应力晶体内部电荷的变化
压电材料的主要特性参数
（1） 压电常数：衡量材料压电效应强弱的参数,
它直接关系到压电输出的灵敏度。 电位移D与外应力张量T成正比.:
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
Non-Volatile RAMs (memory)
Smart cards use ferroelectric memories. They can hold relatively large amounts of information and do not wear out from use, as magnetic strips do, because they use contactless radio frequency input/output. These cards are the size and shape of credit cards but contain ferroelectric memory that can carry substantial information, such as its bearer's medical history for use by doctors, pharmacists and even paramedics in an emergency. Current smart cards carry about 250 kilobytes of memory.
(4)压电薄膜
体材料压电器件因受尺寸限制频率一般不超过数百兆赫，压 电薄膜可大大提高工作频率，并为压电器件的微型化和集成化创 造条件．虽然迄今实用较多的压电薄膜是ZnO等非铁电材料，但铁 电薄膜的压电效应强得多，是非铁电材料不可替代的。
补充：压电半导体材料 如ZnO、CdS 、CdTe，这种力敏器 件具有灵敏度高，响应时间短等优点。 此外用ZnO作为表面声波振荡器的压电 材料，可测取力和温度等参数。
铁电相变
无序—有序型相变铁电体
（涉及到多组元固溶体中两种或多种原子在 晶格点阵上排列有序化） 磷酸二氢钾（KDP）为例
KDP相变
KDP相变
(· )表示(H2PO4)-中的两个质子在磷酸根（PO4）3-四面体四周的排列方式
KDP晶体中与c轴垂 直平面内质子的运动 方向
KDP相变
KDP的铁电性由质子的有序化造成的 氢键本身对自发极化强度并无贡献，质 子的有序化只是起了协调作用 温度低于居里转变温度时，系统的稳定 状态为完全极化态。
D=dT （d为压电矩阵常数）
（2） 介电常数：反映了材料的介电性质（或极 化性质）。当压电材料的电行为用电场强度E和电位 移D作为变量来描述时，有 D=εE
压电材料的主要特性参数
（3） 机械耦合系数：衡量压电材料机电能量转换
效率的一个重要参数。
在压电效应中, 其值等于转换输出能量（如电能） 与输入的能量（如机械能）之比的平方根。
温度高于居里温度时：钛离子的平均热运动能量足 以克服钛离子位移后形成的内电场对钛离子的定向 作用。整个晶胞的等效电偶极矩为零，所以不出现 自发极化。 当温度较低时，钛离子的平均热运动能量位移后因 钛氧离子间的相互作用所形成的内电场，因此就向 着某一个氧离子产生自发位移，从而使这个晶胞出 现电偶极矩。
居里温度 （ Tc,c）
温度高于c时，晶体不具有铁电性，温度低 于c时，晶体呈现出铁电性。 通常认为晶体的铁电结构是由其顺电结构经 过微小畸变而得，所以铁电相的晶格对称性 总是低于顺电相的对称性。 如果晶体存在两个或多个铁电相时，只有顺 电-铁电相变温度才称为居里点；晶体从一 个铁电相到另一个铁电相的转变温度称为相 变温度或过渡温度。
（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)。
压电陶瓷的压电效应
压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多 晶压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。 电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从 而存在一定的电场。在无外电场作用时，各个电畴在晶 体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始 的压电陶瓷内极化强度为零，见图（a）。
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。
耐电性能差
老化严重
居里-外斯定律Curie-Weiss law
当温度高于居里点时，铁电体的介电常数与 温度的关系服从居里-外斯定律：
C T-
式中： Θ为特征温度，一般低于居里点； C为居里常数；ε∞ 代表电子极化对介电常数 的贡献，在过渡温度时， 可以忽略。
铁电晶体的分类
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。
一、压电效应 正压电效应 （ 顺压电效应 ）：某些电介质，当沿着
一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象， 同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重 新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷 极性也随着改变。
逆压电效应 （ 电致伸缩效应 ）：当在电介质的极化
方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变 形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也 随之消失的现象。
出现自发极化的必要条件是：晶体结构不具有对称 中心 不具有对称中心的晶体并非都有自发极化效应。 CaTiO3属钙钛矿结构，但Ca2+离子半径小，氧八 面体空隙小，Ti3+不易移动，因而CaTiO3晶体无 自发极化效应
BaTiO3极化机理
目前普遍认为：钛酸钡的自发极化是由 晶胞中钛离子的位移造成的。
电滞现象与电滞回线（以钛酸钡为例）
t 120 C
o
P
t 120 C
o
P
B
Ps
A
Pr
o
E
Ps
C
o
Pr
E
D
温度较高时，电极 化强度与电场强度 成正比。
温度较低时，电极化强度与 电场强度不成正比，而是滞 后于电场强度的变化，形成 电滞回线。