课件：第讲铁电物理一般性质和电畴.ppt

1,第七章 铁电物理,本章提要,铁电体物理学研究的核心问题是自发极化。本章主要介绍有关铁电体物理学的一些基本概念；自发极化产生的机制；铁电相变与晶体的结构变化；极化状态在各种外界条件下的变化，即介电响应、压电、热释电、电致伸缩、光学效应等；最后适当介绍铁电物理效应的实验研究。,2,7.1 铁电物理的一般性质,铁电体是指在某温度范围具有自发极化，而且极化强度可以随外电场反向而反向的晶体。同铁磁体具有磁滞回线一样，铁电体具有电滞回线。,热释电晶体是具有自发极化的晶体，但因受到表面电荷等的抵偿作用，其电矩不能显现出来。只有当温度改变，电矩发生变化（电矩有异于零的温度系数）不能被抵偿时，才显现其固有的极化。热释晶体亦因此而得名。,3,一般的，晶体的压电性质及自发极化性质都是由晶体的对称性决定的，可是对于铁电体，外电场能使自发极化反向的特征不能由晶体的结构来预期，只能通过电滞回线的测定（或介电系数的测定）来判断。,电滞回线表示铁电晶体中存在电畴；对晶轴来说每个电畴中的极化强度有一定的方向。,7.1 铁电物理的一般性质,4,当温度高于某一临界温度Tc时，晶体的铁电性消失，而且晶格结构也发生转变，这一温度是铁电体的居里点 。,由于铁电性的出现或消失，总伴随着晶格结构的改变，所以这是个相变过程。当晶体从非铁电相（称顺电相）向铁电相过渡时，晶体的许多物理性质皆成反常现象。对于第一级相变，伴随有潜热发生，对于第二级相变，则出现比热的突变。铁电相中自发极化强度是和晶体的自发电致形变相关的，所以铁电相的晶格结构的对称性要比非铁电相低。,5,如果晶体具有两个或多个铁电相时，表征顺电相与铁电相之间的一个相变温度才是居里点，而把铁电体发生相变时的温度统称为过渡温度或转变温度。,由于极化的非线性，铁电体的介电系数不是常数，而是依赖于外加电场的。铁电体在过渡温度附近介电系数具有很大的值，数量级达到104105,6,当温度高于居里点时，介电系数随温度变化的关系遵守居里外斯定律：,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。,7,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,8,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,反电体是铁电晶体的同素异形体，其晶体结构与铁电体有密切关系。当温度降低时，晶体有小量畸变。结构亦从较高的转向较低的对称性。和铁电体不同的是，在每个电畴中电极化取两个相反的方向（即两个相等的子晶格沿相反方向极化），因此并不具有净电矩。,9,7.2 铁电体的电畴与电滞回线,一、铁电体的电畴,二、铁电体电滞回线,1. 自发极化,2. 热释电体与铁电体,3. 电畴结构,1.铁电体的电滞回线,2.铁电体的极化处理,3. 极化的非线性,10,1. 自发极化,如果晶胞本身的正、负电荷中心不相重合，即晶胞具有极性，那么，由于晶体构造的周期性和重复性，晶胞的固有电矩便会沿着同一方向排列整齐，使晶体处在高度的极化状态下，由于这种极化状态是外场为零时自发地建立起来的，因此称为自发极化。,11,图1 BaTiO3晶体结构及极化示意图,12,自发极化所建立的电场吸引了晶体内部和外部空间的异号自由电荷，在试样的表面形成一个表面电荷层。结果自发极化建立的表面束缚电荷被外来的表面自由电荷所屏蔽，束缚电荷建立的电场被抵消。但是当温度发生变化时，由于离子键的键长和键角发生变化，自发极化强度也将发生变化。这时被自发极化束缚在表面的自由电荷层就要发生相应的调整，例如释放出来，恢复自由，使得晶体呈现带电状态或在闭合电路中产生电流。这一现象就是热释电效应,13,具有自发极化的晶体则称为热释电晶体,热释电晶体总是具有压电效应的,应力会改变离子间的距离和键角，使自发极化强度发生变化,14,2. 热释电体与铁电体,自发极化强度矢量能在外电场的作用下沿着某几个特定的晶向重行定向的热释电体就是铁电体,铁电体是热释电体的一亚族 ，从本质上来看铁电体总是具有压电性和热释电性,自发极化能被外电场重行定向是铁电体最重要的判据，也是铁电体具有许多独特性质的主要原因,15,3. 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，直到整个晶体对内、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,16,3. 电畴结构,铁电畴所能允许的晶向取决于原型结构的对称性.必须沿着晶体的几个特定晶向取向.,铁电畴还要受到晶体自发应变的制约.,自发应变:的在铁电体中,随着自发极化的建立,晶体将沿着自发极化的方向伸长,在垂直于自发极化的方向缩短的电致伸缩现象.,17,图7-1 钛酸钡晶体中的电畴示意图 （a）反平行的180电畴； （b）相互垂直的90电畴,18,实验与理论分析表明，电畴壁很薄，只有几个晶胞厚度。钛酸钡晶体中的180畴壁大约只有5-20，相当于10-20个晶胞厚度,一般认为对畴壁能的主要贡献是来自相邻电畴的静电相互作用和弹性应变能。,铁电体的自发极化在外电场作用下反转时，晶体的电畴结构也要发生相应的改变。电畴结构在外场作用下发生改变的过程称为电畴运动,2019/8/19,19,可编辑,20,极化反转过程中电畴的运动可以用实验的方法动态地观察到。,如果把电场沿着钛酸钡晶体的自发极化轴加到图7-1(a)所示的试样上，实验表明，与电场方向一致的电畴并不通过其畴壁的侧向移动以牺牲反向畴为代价进行扩张，而是在反向畴内部沿着试样的边缘靠近电极处生长出许多极化方向与电场方向一致的尖劈状新畴。新畴成核后便在电场作用下向前推进，穿透整个试样，,21,图7-4 钛酸钡晶体反向畴中尖劈状新畴的成核和扩展,22,铁电体的畴过程还可以用加上电场后电畴反转过程所产生的电流脉冲波形来研究。如果把前沿很陡的矩形电压脉冲加到晶体上。脉冲的宽度比极化反转所需的时间长，脉冲的振幅足够大，以保证试样的极化强度能被外场反向，这时流过试样的瞬时电流便便正比于，其波形如图7-6所示,23,曲线A是所加电场与极化反平行，极化被外场反转时的情况 曲线B相当于电场与极化同向，极化不发生反转时的情况,24,极化反转时的电流波形可用峰值电流或开关电流 和脉冲持续时间或开关时间 来衡量。钛酸钡晶体的 和 与所加电压的关系见图7-7所示,25,在低场强下，开关时间的倒数与电场成指数关系,其中a为活化电场,在高场强下，开关时间的倒数与电场成线性关系,其中d为试样的厚度,26,这一结果表明，铁电体的极化反转存在着两种过程：即畴的成核以及畴的生长。,在低场强下，成核速率很低，开关时间主要取决于成核时间,在高场强下，成核速率很高，这时开时间主要取决于新畴生长所需的时间,27,二、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,28,1.铁电体的电滞回线,29,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,30,这时所有电畴均沿着外场取向，达到了饱和状态。电场继续增加时，极化强度已不可能由于畴的转向而大幅度地增加，只能像普通电介质一样，通过电子和离子的线性位移化沿着直线BC稍稍增加,到达C点后，如果减少外电场，极化强度延着CB缓缓下降。当外电场下降到零时，极化强度并不沿着原路返回零点，而是大体保持着在强电场下的状态，并有少数最不稳定的区域分裂出反向电畴,晶体极化强度沿着CB下降到D点，这时的剩余极化强度为。剩余极化强度Pr比自发极化强度Ps小。,31,为了从电滞回线上获得Ps的数值，需要把电滞回线的饱和支CB外推到电场为零时在极化轴上的截距E点(OE)。,反剩余极化全部去除所需的反向电场强度称为矫顽电场强度。电场继续在反方向上增加时，极化强度经点到达G点使所有电畴都在反方向上定向。,当反向电场重新下降并改变其方向时，则和前面的过程相似，经由GH返回到C占，完成整个电滞回线CDGHC。电场每变化一周，上述循环发生一次,32,2. 铁电体的极化处理,铁电体常常被用来制造压电器件和热释电器件,工业上把晶体的单畴化处理称为极化处理。意即斌予晶体以极性,多晶陶瓷在极化处理时所能达到的饱和极化强度比自发极化强度低,33,其值为,其中 为空间立体角增量， 为电场强度与最邻近的自发极化方向之间的最大夹角。,34,经极化处理后，铁电体所取得的剩余极化是不稳定的，将随时间而衰减