压电、热释电和铁电介质材料
压电、热释电与铁电材料
关于BaTiO3铁电性的起因人们曾提出过多种 微观模型。其中比较突出的有： 钛离子多个平衡位置的自发极化理论，认 为BaTiO3在其顺电相结构中钛离子具有多 个平衡位置，在温度低于居里点时，钛离 子占据某个平衡位置几率大得多，因而出 现自发极化；
钛--氧离子之间的强耦合理论，认为自发 极化的产生是由于钛--氧离子之间存在着 很强的相互作用场所致； 此外换有氧离子位移的自发极化理论；振 动电子理论；价键性质转变理论（认为共 价性增强，离子性减弱）等。 这些理论各有其不足和成功之处，本节不 在一一介绍。
下图是180畴壁和90畴壁
钛酸钡畴结构
反铁电体
反铁电体是这样一些晶体，晶体结构与同 型铁电体相近，但相邻离子沿反平行方向 产生自发极化，净自发极化强度为零，不 存在类似于铁电中的电滞回线。介电常数 （或极化率）与温度的关系为：在相变温 度以下，介电常数很小，一般数量级为10102；在相变温度时，介电常数出现峰值， 一般数量级为几千。在相变温度以上，介 电常数与温度的关系遵从居里-外斯定律。
主要特征 电滞回线hysteresis loop 居里温度Curie temperature c 介电反常Dielectric anomalous
电滞回线 hysteresis loop
自发极化Ps 剩余极化Pr 矫顽电场Ec
静态畴结构及其形成原因
铁电晶体在没有外电场和外力作用下从 顺电相过渡到铁电相时，将出现至少两 个等价的自发极化方向，以便使晶体的 总自由能最小。因此，晶体在铁电相通 常是由自发极化方向不同的一个一个小 区域组成。每一个极化方向相同的小区 域称为铁电畴，分离电畴的边界称为畴 壁。Domain wall
BaTiO3铁电相变的微观理论首先是从离子位 移模型出发而发展起来的。对BaTiO3晶体的 x射线衍射和中子衍射实验表明，当BaTiO3 的结构从立方相转变到四方相时，Ti、O等 离子都产生偏离原来平衡位置的位移。
电介质材料(压电和铁电材料)
压电陶瓷材料Байду номын сангаас
锆钛酸铅系(PZT)陶瓷, 其化学式为Pb(Zrx, Ti1-x)O3, 是钙 钛矿结构的二元系固溶体，晶胞中B位置可以是Zr4+, 也可以 是Ti4+。居里点随锆钛比变化。根据器件的要求，可以选择 不同的锆钛比。 然而，锆钛酸铅系陶瓷在制备和使用过程中，都会给环 境和人类健康带来很大的损害。近年来，随着环境保护和人 类社会可持续发展的需求，研发新型环境友好的压电陶瓷已 成为世界各国致力研发的热点材料之一。2001年欧州议会通 过了关于"电器和电子设备中限制有害物质"的法令，并定于 2008年实施。其中在被限制使用的物质中就包括含铅的压电 器件。为此，欧洲共同体立项151万欧元进行关于无铅压电 陶瓷的研究与开发。美国和日本以及我国电子信息产业部也 相继通过了类似的法令，并逐年提高对研制无铅压电陶瓷项 目的支持力度。对新型无铅压电陶瓷的研究和开发也同样受 到了国内科技界与企业界的普遍关注。
小资料：最新的无铅压电材料 任晓兵博士在其论文中提出一种不同于上述机制的全 新原理，该原理利用铁电体在90度畴翻转时产生巨大变形 这一特性，并利用时效点缺陷的对称性性质而产生可回复 的应变(该性质亦为任晓兵博士所发现，X. Ren and K.， Otsuka, 《Nature》, 1997)。任晓兵博士认为，存在点缺陷 的情况下，电畴在电场作用下发生翻转，当电场解除时， 在点缺陷的影响下，畴将回到原来的取向。在200V/mm的 电压下可产生0.75%的巨大可逆变形，是相同电压下PZT形 变量的37.5倍。 值得注意的是，产生这一巨大电致应变的材料为钛酸 钡基材料，这为开发对环境无害的高性能电致应变材料提 供了重要新途径。此项成果发表后，立即引起国际学术界 和工业界的强烈反响。
电介质材料(压电与铁电材料1)
Guangdong Ocean University
Xiong Zhengye
当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电 容C0，它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关，一般约几 个PF到几十PF。当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L来 等效。一般L的值为几十mH到几百mH。晶片的弹性可用电容 C来等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1pF。晶片振动时 因摩擦而造成的损耗用R来等效，它的数值约为100Ω。由于晶 片的等效电感很大，而C很小，R也小，因此回路的品质因数Q 很大，可达1000～10000。加上晶片本身的谐振频率基本上只 与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确， 因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。
Guangdong Ocean University
Xiong Zhengye
从石英晶体谐振器的等效电 路可知，它有两个谐振频率， 即（1）当L、C、R支路发 生串联谐振时，它的等效阻 抗最小（等于R）。串联揩 振频率用fs表示，石英晶体 对于串联揩振频率fs呈纯阻 性，（2）当频率高于fs时L、 C、R支路呈感性，可与电 容C0发生并联谐振，其并联 频率用fd表示。 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye
Guangdong Ocean University Xiong Zhengye
（4 ） 机械耦合系数：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 ; 它是衡量压电材料机电能量转换 效率的一个重要参数。
（ 5 ） 电阻：压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏 , 从而改善压电传感器的低频特性。 （ 6 ） 居里点：压电材料开始丧失压电特性的温度 称为居里点。 （7）机械品质因数：压电振子在谐振时在一周期内 贮存的机械能与损耗的机械能之比。
试说明压电体、热释电体、铁电体各自在晶体结构上的特点。
试说明压电体、热释电体、铁电体各自在晶体结构上的特点。
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铁电体的三个基本特征
铁电体的三个基本特征
铁电体是一种特殊的晶体材料，具有三个基本特征：铁电性、压电性和热释电性。
铁电性是铁电体最为显著的特征之一。
铁电体在外加电场的作用下，会出现极化现象，即在晶体内部会出现正负电荷分离的现象，形成电偶极矩。
这种极化是可逆的，即当外加电场消失时，电偶极矩也会消失。
铁电体还具有压电性。
当外力作用于铁电体时，晶体会发生形变，产生电荷分离，形成电偶极矩，从而产生电势差。
这种现象被称为压电效应。
压电效应是铁电体在传感器、振动器等领域中的重要应用。
铁电体还具有热释电性。
当铁电体受到温度变化时，晶体内部的电偶极矩也会发生变化，从而产生电势差。
这种现象被称为热释电效应。
热释电效应是铁电体在红外线探测器、温度传感器等领域中的重要应用。
铁电体具有铁电性、压电性和热释电性三个基本特征。
这些特征使得铁电体在电子器件、传感器、振动器等领域中有着广泛的应用前景。
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。
热释电铁电篇
°C ° C ± 5° C 90° C ± 9° C → 4 mm 0 → mm2 − → 3m m3m 120
（立方） 顺电相
居里温度
（四方） 铁电相
（正交） 铁电相
（三方） 铁电相
罗息盐晶体：
顺电相 上铁电居里温度，24°C 铁电相
11
２．３．３ 铁电性
铁电性
电介质晶体中，电偶极子由于它们的相互作用而产生自发平行排列的现象。这 种过程类似于铁磁性中所看到的磁偶极子的自发排列，因而得名铁电性。 原子构型是温度的函数，材料的极化状态将随温度的变化而 变化，这种性质称为热电性(Pyroelectrocity) ，热电性是所 有呈现自发极化的晶体的共性。 铁电体具有自发极化，且自发极化有两个或多个可能的取向， 在电场作用下，其取向可以改变，铁电体具有的这种性质叫 铁电性(Ferroelectricity)，存在自发极化并不是铁电体的充 分条件。
与磁畴类似，铁电体是由铁电畴组成的。 晶体中铁电相的自发极化总是会分裂成一 系列极化方向不同的小区域，其自发极化 在外部空间建立的电场互相抵消，因而， 整个单晶对外不呈现电场。
相邻 畴极 化方 向相 差 180º 相邻 畴极 化方 向相 差 90º
24
２．３．３ 铁电性
晶体的铁电性
铁电畴
铁电畴：铁电体从顺电相转变为铁电 相时具有自发极化，自发极化一致的 区域称为铁电畴铁 畴壁(Domain Wall)：铁电畴之间的界 面称为畴壁。 为使体系的能量最低，各电畴的极化 方向通常“首尾相连”。
当在低于居里点的温度范围内，一条晶轴 (c轴) 伸长而其他晶轴缩短， 晶体变成四方晶格 (如图所示)。在这种情况下，由于发生极化，Ti4+离 子将沿着晶体单元的晶轴方向分布。 由于晶体结构的不对称而造成极化现象，在不施加外电场或压力的常温 情况下，这种极化现象就存在。这种类型的极化称为自发性极化现象。
压电热释电铁电材料的应用
压电热释电铁电材料的应用引言：压电热释电铁电材料是一类独特的功能材料，具有压电、热释电和铁电效应。
这些特殊的性质使得压电热释电铁电材料在很多领域中有着广泛的应用。
本文将介绍压电热释电铁电材料的概念及其应用。
一、压电效应的应用：压电效应是指在外加电场的作用下，压电材料会发生形变。
压电效应在各个领域中有着广泛的应用。
例如，在声学领域，压电传感器利用压电效应将压力信号转化为电信号，用于测量、控制和监测声波。
在医疗领域，压电效应被应用于超声波技术中，用于诊断和治疗。
此外，压电效应还被应用于振动传感器、加速度计、压力传感器等领域。
二、热释电效应的应用：热释电效应是指在温度变化的作用下，热释电材料会发生电信号的变化。
热释电效应在能量转换和传感器方面有着重要的应用。
例如，热释电发电机利用热释电效应将热能转化为电能，实现能量的回收和利用。
此外，热释电效应还被应用于温度传感器、红外传感器等领域。
三、铁电效应的应用：铁电效应是指在外加电场的作用下，铁电材料会发生极性反转。
铁电效应在信息存储和传输方面有着广泛的应用。
例如，铁电存储器利用铁电效应来实现信息的存储和读取。
铁电材料还被应用于传感器、电容器等领域。
四、压电热释电铁电材料的综合应用：压电热释电铁电材料的综合应用在科学研究和工程实践中起到了重要的作用。
例如，在机械工程领域，压电热释电铁电材料被应用于振动能量收集器，将机械振动能量转化为电能，实现自供电。
在电子工程领域，压电热释电铁电材料被应用于传感器、开关等元件，实现电信号的控制和传输。
此外，压电热释电铁电材料还在声学、光学、生物医学等领域有着广泛的应用。
结论：压电热释电铁电材料的应用涵盖了许多领域，包括声学、医疗、能源、传感器等。
这些材料的特殊性质使得它们在能量转换、信息存储和传感器方面具有独特的优势。
随着科学技术的不断进步，压电热释电铁电材料的应用前景将更加广阔，为人类创造更多的价值。
压电、热释电与铁电材料及应用PPT文档21页
压电、热释电与铁电材料及应用
指导老师：
班级： 姓名：
压电材料的物理机制
压电效应的原理 典型压电材料分析
压电效应的原理
多晶体结构的压电材料在一定温度下经极化处理制成压电元件， 它在受到外力作用而发生形变时，其表面会产生极化电荷，这就 是所谓压电效应；反之，当在压电元件两端面加一外电场时会发 生伸缩形变，称为逆压电效应。压电效应中各量（力学量、电学 量和压电常数等）之间的关系可用一方程组描述：
谢辞
感谢各位老师对我的论文给予指导! 感谢同学们给予我的支持!
谢谢大家！
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
SiO 2
典型压电材料分析
热释电红外报警器工作原理
热释电红外报警器主要由光学系统、热释电红外传感器、信号滤波和放 大、信号处理和报警电路等几部分组成，其结构框图如图所示。图中， 菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化 的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透 镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏 区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而加 强其能量幅度。达到报警效果。
热释电、铁电材料的Байду номын сангаас展方向
未来铁电薄膜以及介电模式工作的陶瓷材料将成为成 像应用的主要热释电材料。在薄膜材料这方面首先研制高 性能的热释电薄膜，并要求制备工艺中的温度不要超过 550℃，以便与硅工艺相兼容。介电模式工作的热释电材 料中，以BST和PST陶瓷为主流，可以探讨采用其他工艺 来提高此类材料的热释电性能。
铁电功能材料
铁电陶瓷只在某一温度范围内才具有铁电性,它有 一临界温度Tc.,当温度高于Tc时,铁电相转变为顺电 相,自发极化消失, 晶体顺电相-铁电相的临界转变温度Tc称为居里温度
1.4、典型材料与应用
BaTiO3陶瓷材料
BaTiO3陶瓷材料的铁电性能在1942年被人 们发现,由于其性能优良,工艺简便,很快被应用于 介电、压电元器件,1954年人工法成功制备出 BaTiO3单晶,至今, BaTiO3陶瓷仍是应用的最广 泛和研究得比较透彻的一种铁电材料,
铁电体的电滞回线
电滞回线是铁电体的一个特征,它表示铁电 晶体中存在电畴,它是铁电体的极化强度P随 外加电场强度E的变化轨迹,
饱和极化强度Ps 剩余极化强度Pr 矫顽电场强度Ec
2、 电滞回线 hysteresis loop 在强电场作用下,使多畴铁电体变为单畴铁电体或使单
畴铁电体的自发极化反向的动力学过程称为畴的反转, 使剩余极化强度降为零时的电场值Ec称为矫顽电场强
铁电功能材料
介电材料
电介质功能材料
铁电材料
电
压电材料
功
敏感电介质材料
能
材
料
导电材料
快离子导体
电导体功能材料
电阻材料
超导电体
铁电陶瓷材料
铁电体 ferroelectrics 是电介质的一个亚 类,其基本特征是具有自发电极化并且这种 电极化可以在外电场作用下改变方向,由于 自身结构的原因,铁电体同时具有压电性和 热释电性,此外一些铁电晶体还具有非线性 光学效应、电光效应、声光效应、光折变 效应等,铁电体这些性质使它们可以将声、 光、电、热效应互相联系起来,成为一类重 要的功能材料,
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数学定义式：K Ume U mm Uee
各个能量的含义：
U mm
1 2
SiEj TiT
；机械能密度。
j
U ee
1 2
T mn
Em
En；介电能密度。
U me
1 2
dmj
EiT
；机械
j
电相互作用能密度。
LOGO
工程技术上的含义：
正压电效应：K
2
机械能转变的电能 输入的机械能
逆压电效应：K 2
电能转变的机械能 输入的电能
LOGO
2）压电效应的物理机制
压电材料包括压电单晶、压电陶瓷、压电薄膜和压电高分子材料。
1.压电单晶
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荷。
LOGO
2）压电效应的物理机制
2.压电陶瓷
压电陶瓷的压电效应机理与压电单晶大不相同，未经极化处理 的压电陶瓷材料是不会产生压电效应的。压电陶瓷经极化处理后， 剩余极化强度会使与极化方向垂直的两端出现束缚电荷（一端为 正，另一端为负），由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面 吸附一层来自外界的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。 当对其施加一个与极化方向平行或垂直的外压力，压电陶瓷片将 会产生形变，片内束缚电荷层的间距变小，一端的束缚电荷对另 一端异号的束缚电荷影响增强，而使表面的自由电荷过剩出现放 电现象。当所受到的外力是拉力时，将会出现充电现象。
K 2并非能量转换效率： 因为在压电体中未被转化是以机械能或电能
的形式可逆的存储在压电体内的那部分能量
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2 介电常数 ε
反应了材料的介电性质或极化性质。
压电体也是电介质，尤其是铁电体，具有大的介电常数，
是高效电容的研究热点。
对于：D ij E
D：电位移；E：电场强度
由热力学讨论得出：
是二阶对称张量。对极化为Z轴方向
表示压电体机械能转变为电能或者电能转变为机械能的转换系数。 反应了机械性能和介电性能之间的耦合关系。
dmj 电场恒定时，单位应力变化引起的电位移变化。 dni 应力恒定时，单位电场变化引起的应变的变化。 emi 电场恒定时，单位应变变化引起的电位移变化。 enj 应变恒定时，单位电场变化引起的应力的变化。 gmi 电位移恒定时，单位应力变化引起的电场变化。 gnj 应力恒定时，单位电位移变化引起的应变变化。 hni 电位移恒定时，单位应变变化引起的电场变化。 hmj 应变恒定时，单位电位移变化引起的应力变化。
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9.2.2 热释电性
❖ 热释电效应：在热平衡条件下，电介质因自发极化要 产生表面束缚电荷，这种电荷被来自空气中附集于电 介质表面上的自由电荷所补偿，其电不能显现出来， 当温度发生变化，由温度变化引起电介质的极化状态 的改变不能及时被来自电介质表面上的自由电荷所补 偿，使电介质对外显电性。
产生的条件： 一定是具有自发极化的晶体，且在结构上应具有极轴。
❖ 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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(1) 不具有自发极化特性， 但为不对称中心结构，在 外力的作用下，产生极化。
+-
+ -
+-
-
+-
±
+
-
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
+
+-
+ -
+-
未加应力
加应力产生极化， 正负电荷中心分开
加应力产生 极化
LOGO
(2) 含有对称中心的结构
+-
+
-+
±
+-
结构含有正负离子
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1）压电效应
某些物质沿其一定的方向施加压力或拉力时，随着形变的产生， 会在其某两个相对的表面产生符号相反的电荷（表面电荷的极性 与拉、压有关），当外力去掉形变消失后，又重新回到不带电的 状态，这种现象称为“正压电效应”—— 机械能转变为电能；反 之，在极化方向上（产生电荷的两个表面）施加电场，它又会产 生机械形变，这种现象称为“逆压电效应”——电能转变为机械 能。具有压电效应的电介质称为压电材料。
所谓极轴，顾名思义是晶体唯一的轴，在该轴两端往往 具有不同的性质，且采用对称操作不能与其它晶向重合 的方向。
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自发极化
❖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。
ij
的压电陶瓷，由对称关系 11 22 33,因此极化压电陶瓷
有2个介电常数，考虑不同机械条件时则有4个介电常数。
其中ε下标的第一个数字表示电场方向，第二个数字表示 电流密度方向。
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3 介质损耗tanδ
表征介电体在电场作用下，由发热而导致能量的损耗。
理想电介质在正弦交变电场下，电流超前电压900，
未加应力
加应力正负电荷中心不分开，不产生极化
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压电、热释电和铁电介质材料
9.2 压电、热释电和铁电介质材料
9.2.1 压电性
对晶体对称性的研究中，法国的居里发现压电效应。
Pierre Curie was born in Paris, on May 15, 1859.
Pierre was killed in a street accident in Paris on April 19, 1906
但是在压电陶瓷中，因有极化和电导损耗（对于铁
电体还包括电畴壁移动所消耗的能量），电流超前
的相位角小于900。其正切表示介电损耗大小：
tan IR 1 （损耗因子或介质损耗） IC CR
电学品质因数的定义：
Qe
1
tan
材料的tanδ越大，其性能越差。
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54 压电常数: 反映机电耦合效应的强弱
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3）压电效应产生的条件 ❖晶体结构没有对称中心； ❖压电体是电介质； ❖其结构必须有带正负电荷的质点，即压电体 是离子晶体或由离子团组成的分子晶体。
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4） 压电性能的主要参数
1 机电耦合系数K：反应了压电材料机械能与电能间的耦合关系
Electro Mechanical Coupling Coefficien（t EMCC）
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65 机械品质因数
由于内摩擦，压电振子谐振时要消耗机械能，
定义机械品质因数：
Qm
2
Ee Em
2
1 f sC1R1
Ee:谐振一周储存的机械能。
Em:谐振一周消耗的机械能。
根据定义式，Qm越大，消耗的能量越小
Qm越小，消耗的能量越大。
Qm与振子的振动模式有关，通常采用的
是圆片试样径向振动模式下的Qm。