电介质材料(压电和铁电材料)
铁电材料的研究热点
铁电材料的研究热点摘要：铁电材料具有优秀的电学性能，其电子元件集成度高、能耗小、响应速度快。
目前研究者将铁电材料同其它技术相结合，使新诞生的集成铁电材料性能更为优秀。
本文介绍了有压电材料、储能用铁电介质材料、有机铁电薄膜材料、多铁性材料、铁电阻变材料的研究状况。
关键词：铁电；压电材料；铁电储能；有机铁电薄膜材料；多铁性材料；铁电阻变1 铁电材料的研究背景铁电体早在20世纪40年代就引起物理学界的关注，但由于大快铁电晶体材料不易薄膜化，与半导体和金属不相兼容，使其未能在材料和信息领域扮演重要的角色，随着薄膜技术的发展，克服了制备高质量铁电薄膜的技术障碍，特别是能在不同衬底材料上沉积高质量的外延或择优取向的薄膜，使铁电薄膜技术和半导体技术的兼容成为可能。
由于人工铁电材料种类的不断扩大，特别是铁电薄膜技术和微电子集成技术长足发展，也对铁电材料提出了小型化，集成化等更高要求，正是在这样的研究背景下，传统的半导体材料和陶瓷材料结合而形成新的叫交叉学科——集成铁电学（Integrated Ferroc-Icctrics）出现了，并由此使铁电材料及其热释电器件的研究开发呈现了两个特点：①是由体材料组成的器件向薄膜器件过渡；②是由分立器件向集成化器件发展。
集成铁电体是凝聚态物理和固态电子学领域的热门课题之一。
铁电材料有着丰富的物理内涵，除了具备铁电性之外，还具有压电性、介电性、热释电性、光电效应、声光效应、光折变效应以及非线性光学效应等众多性能，可用于制备电容器件、压力传感器、铁电存储器、波导管、光学存储器等一系列电子元件，铁电材料因其广阔的应用前景而倍受关注。
目前的铁电器件往往仅单独用到了铁电材料中的单一性能，如压电性或者热释电性。
将铁电材料中的性能综合在一起或者将铁点技术同半导体等其他技术结合在一起的集成铁电材料有着更为强大的功能。
铁电材料的研究进展主要包括[1]：①提高现有材料的单一性能，儒压电材料中准同型相界以及合适的晶格取向会大幅度提高压电系数。
铁电材料介绍课件
典型化合物： BaTiO3 ， CaTiO3 ， SrTiO3 ， PbTiO3 ， ZnTiO3 ， BaZrO3 ， PbZrO3 等
PCMP
复合钙钛矿结构化合物
（A1 x1 A2x2）（B1y1B2y2）O3型
其中：x1，x2分别为A1离子和A2离子化学计量比；x1+x2=1 y1，y2分别为B1离子和B2离子化学计量比；y1+y2=1
PCMP
4.4 按居里-外斯常数的大小分类
按居里-外斯常数的大小分类（参照图64），这种分类法有利于研究铁电体的相变 机制。居里-外斯常数C 大约在105数量级的 为第一类。这类铁电体的微观相变机制属于 位移型，它主要包括钛酸钡等氧化物形铁电 体。近来发现的SbSI是这一类中的唯一例 外，它不是氧化物。
相铁电性压电性弱与三氟乙烯共聚chcf3npvdftrfe无需拉伸具有压电铁电性高能电子辐照电致伸缩性能明显提高pcmppcmp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
《功能材料》
——铁电材料
PCMP
介电材料
电介质功能材料
铁电材料 压电材料 敏感电介质材料
电 功 能 材 料
电导体功能材料
导电材料 快离子导体 电阻材料 超导电体
PCMP
铁电材料
1. 2. 3. 4. 5. 基本概念（什么是铁电体） 晶体结构 铁电体主要特征与物理属性 铁电材料的分类 典型铁来
“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。
压电材料介绍课件
PCMP
人工材料
人造晶体 正磷酸镓 Gallium orthophosphate (GaPO4) 硅酸锰锑铁矿Langasite (La3Ga5SiO14) 人造陶瓷 钛酸钡 Barium titanate (BaTiO3) 钛酸铅 Lead titanate (PbTiO3) 锆钛酸铅 Lead zirconate titanate (Pb[ZrxTi1−x]O3) 铌酸锂 Lithium niobate (LiNbO3) 钽酸锂 Lithium tantalate (LiTaO3) 钨酸钠 Sodium tungstate (Na2WO3)
极化电场、极化时间和极化温度三者必须综合考虑，它们之间 互有影响，应通过实验最终确定最佳极化工艺参数。
PCMP
4.2 压电陶瓷的极化工艺
（4）极化程度对性能的影响 压电陶瓷材料必须经过极化之后才具有 压电性能。 极化就是在直流电场的作用下使铁电畴 沿电场方向取向。 同一配方，如极化条件不同，极化进行 的程度不同，材料的性能指标可以相差很 大。一般随着极化程度的提高，d33、Kp增 加。介电损耗随着极化程度的提高而降低。 Qm随极化程度的提高而升高。
功能材料
——压电材料
PCMP
介电材料
电介质功能材料
铁电材料 压电材料 敏感电介质材料
电 功 能 材 料
电导体功能材料
导电材料 快离子导体 电阻材料 超导电体
PCMP
压电材料
1. 2. 3. 4. 5. 6. 基本概念（什么是压电材料？） 压电材料分类 相关压电参数 压电陶瓷工艺 压电材料实例 压电材料应用
PCMP
压电效应
1. 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。 2. 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。
铁电性材料物理性能
铁电体
B.铁电体的自发极化的机制 其自发极化的出现主要是晶体中原子（离子）位置变化的结果。 例1：由位移引起的自发极化
自发极化主要是由晶体中某些离子偏离了平衡位置，使单位晶胞中 出现了偶极矩，偶极矩之间的相互作用使偏离平衡位置的离子在新的位 置上稳定下来，同时晶体结构发生了畸变。
钛酸钡的结构：钙钛矿型结构
居里点附近居里外斯定律为
r
T
C 0
忽略ε∞
三、铁电体的铁电性
指铁电体的微观结构性质，以及因此而可能显示出来的宏观性质
（一）铁电性几个重要特征
电滞回线、电畴结构、自发极化以及相应的晶胞形变（自发应变）、居 里点、居里外斯定律等。
1、铁电畴
1）铁电畴的形成 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
自发极化过程： ➢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。
➢温度降低到120℃，低于距 离温度，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。
Ba2+ Ti4+
O-
• • °
• •
•
• • • • °
极化前晶体结构： 等轴晶系（大于120oC） ：
晶胞常数： 氧离子的半径： 钛离子的半径： 钛离子处于氧八面体中， 两个氧离子间的空隙为：－ 钛离子的直径：
电介质材料的分类
电介质材料的分类
1. 气体电介质呀，就像空气一样无处不在！比如在高压开关设备中，不就是用它们来绝缘嘛。
2. 液体电介质呢，就好像是电路中的“保护神”哟！像变压器里就有它们的身影。
3. 固体电介质可厉害啦，这好比是电子产品里的“坚强卫士”呀！像陶瓷电容器就是用它做的啊。
4. 无机电介质可是个大家族呢，这不就是材料界里的“大部队”嘛！像云母不就是常见的嘛。
5. 有机电介质也有它独特的魅力呀，就如同生活中各种神奇的小物件！比如塑料薄膜就会用到它们。
6. 压电晶体电介质，那可是个神奇的存在哟！就像能带来惊喜的魔法石，压电打火机不就是利用它嘛。
7. 铁电电介质呢，像是拥有超能力的“战士”！像一些特殊的电子元件就靠它啦。
8. 热释电电介质呀，感觉就像是能感知温度的小精灵呢！在一些温度感应装置中就少不了它们呀。
我觉得电介质材料的分类真的好丰富多样啊，每一种都有它独特的用途和价值，在我们的生活中扮演着重要的角色呢！。
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。
电介质材料PPT课件
由于一切电介质材料均由分子、原子或离子组成的。
而它们又都是由原子核及核外电子云组成。当外加电场
时，电子云相对于原子核发生位移，因为产生感应电矩。
最简单的模型是图（a)所示的氢原子的电子极化。无外
电场时，正、负电荷重心重合；当施加电场后，电子云
与核产生相对位移。电子极化的频率响应极快，外加电
场后经
即能1产0生14 极1化01。5s
1、探针法
金刚石探针沿膜表面移动， 触针 而探针在垂直方向上的位移通
过电信号可以被放大1 0 1 6 倍并
被记录下来。从膜的边缘可以 直接通过探针针尖所检测的阶 梯高度确定膜的厚度。
薄膜 基片
优点：简单，测量直观； 缺点：（1）容易划伤较软的薄膜并引起测量误差；
（2）对于表面粗糙的薄膜，并测量误差较大。
第一章 简 介
电介质材料是指电阻率大于1010cm 的材料，是相对于金属材料和半导体材料 而区分的。
金属材料 ：共有化电子 半导体材料：载流子 电介质材料：束缚电荷
一、电介质材料的分类及应用
电介质材料的分类
绝缘材料：电阻率很高，能承受很强的电场，不 易被击穿。主要是高分子电介质和无碱玻璃。
电容器材料：主要是陶瓷材料，包括两种，一种 是具有严格温度系数的高频稳定型陶瓷，一种是 介电系数特别大的铁电陶瓷。
（2）离子极化 由异号离子组成的晶体，如Nacl，在外电场作
用下，正、负离子均发生位移，见图（b），以一 维排列的正、负离子原来间隔均等，加了外电场后， 正、负离子的相对距离发生变化，产生了偶极矩。 离子极化的频率响应速度比电子极化略慢，约 为 1012 1。013s
（3）偶极极化 有些电介质分子是由极性较强的离子键构成的，
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。