压电铁电物理-王春雷yd0901.ppt

wangcl,1,压电铁电物理,Prof.C.L.Wang王春雷教授,房间:9#327电话:77035-8327电邮:wangcl,Room:9#327Phone:77036-8327e-mail:wangcl,PhysicsofPiezoelectricsandFerroelectrics,wangcl,2,课程网站：,西安交通大学电介质物理课程网站：,wangcl,3,电介质材料,压电材料：石英,热释电材料：电气石,铁电材料：KDP,压电陶瓷材料PZT,电介质材料之间的关系,wangcl,4,Dielectrics,Piezoelectrics,Pyroelectrics,Ferroelectrics,Piezoelectricceramics,Relationshipofdielectrics,wangcl,5,山东大学电介质物理之特色,功能电介质物理压电铁电物理制备、物性、测量基础研究器件研发（不同于材料、工程和化学专业的学生，有物理背景）,传统电介质物理四大问题：极化polarization损耗loss弛豫relaxation击穿breakdown老化aging?,wangcl,6,课程内容简介,晶体结构介电性质弹性性质压电性质铁电性质,宏观理论微观理论电畴结构介电响应应用简介,wangcl,7,Keysyllabus,CrystalstructureandbasicconceptsDielectricpropertyElasticpropertyPiezoelectricityFerroelectricity,ThermodynamictheoryMicroscopictheoryDomainstructureOpticalpropertyApplications,wangcl,8,压电材料的发展历史,1880年，居里兄弟首先发现电气石的压电效应，从此开始了压电学的历史。1881年，居里兄弟实验验证了逆压电效应，给出石英相同的正逆压电常数。1894年，Voigt指出，仅无对称中心的二十种点群的晶体才有可能具有压电效应，石英是压电晶体的一种代表，它被取得应用。,wangcl,9,第一次世界大战，居里的继承人郎之万，最先利用石英的压电效应，制成了水下超声探测器，用于探测潜水艇，从而揭开了压电应用史篇章。压电材料及其应用取得划时代的进展应归咎于第二次世界大战中发现了BaTiO3陶瓷，1947年，美国Roberts在BaTiO3陶瓷上，施加高压进行极化处理，获得了压电陶瓷的电压性。随后，日本积极开展利用BaTiO3压电陶瓷制作超声换能器、高频换能器、压力传感器、滤波器、谐振器等各种压电器件的应用研究，这种研究一直进行到50年代中期。,wangcl,10,1955年，美国B.Jaffe等人发现了比BaTiO3压电性更优越的锆钛酸铅固溶体（PbZrxTi1-xO3，PZT）压电陶瓷，促使压电器件的应用研究又大大地向前推进了一大步。BaTiO3时代难于实用化的一些用途，特别是压电陶瓷滤波器和谐振器，随着PZT的问世，而迅速地实用化，应用声表面波（SAW）的滤波器、延迟线和振荡器等SAW器件，在七十年代后期也取得了实用化。,wangcl,11,上世纪70年代初期，人们在锆钛酸铅材料二元系配方Pb(Zr，Ti)O3大基础上又研究了加入第三元改性的压电陶瓷三元系配方，如铌镁酸铅系为Pb(Mg1/3Nb2/3)(ZrTi)O3，可广泛用于拾音器、微音器、滤波器、变压器、超声延迟线及引燃引爆方面。如铌锌酸铅系Pb(Zn1/3Nb2/3)(ZrTi)O3，主要用来制造性能优良的陶瓷滤波器及机械滤波器的换能器。,wangcl,12,再后来，人们又在三元系压电陶瓷配方基础上又研究了四元系压电陶瓷材料，如:Pb(Ni1/3Nb2/3)(Zn1/3Nb2/3)(ZrTi)O3，Pb(Mn1/2Ni1/2)(Mn1/2Zr1/2)(ZrTi)O3等，可用来制造滤波器和受话器等。二十世纪九十年代，PMN-PT单晶的成功制备，并发现其优异的机电性能，使这类材料的研究又形成了一个新的高潮。,wangcl,13,铁电材料的发展历史,铁电体FeRROELECTRICS,铁Fe1665SeignetteRochelle,合成:酒石酸钾钠NaKC4H4O64H2O1920Valasek,罗息盐,RochelleSalt,奇异介电特性,Rochelle-electricity,Seignette-electricityatEuropeJournals,H2Oplaysrole?1920-1939磷酸二氢钾KH2PO4(KDP),共性:氢键H-bond,wangcl,14,1940-1958唯象理论,BaTiO3等,二次世界大战WWII,水听器,铁电性一词出现,与铁磁性相似,磁滞回线,日文强诱电性1959-1970s软模理论Softmodes,Pb(ZrxTi1-x)O3(PZT)系列压电陶瓷，其它实用性的压电材料系列不断被发现1980stoday,军用-民用，新材料，新现象，新应用，如：铁电移相器，FeRAM铁电存储器,wangcl,15,Historyinbrief,1665SeignetteRochelle,firstsynthesizedofsaltNaKC4H4O64H2O1920Valasek,RochelleSalt(RS),unusualbehaviorofdielectricproperty,Rochelle-electricity,Seignette-electricityEuropeJournals1920-1939KH2PO4(KDP),bothRSandKDPhaveH-bonds,wangcl,16,1940-1958phenomenologicaltheory,discoveredBaTiO3etc,WWII,hydrophone,termFERROELECTRICITYappeared,analogtoFerromagnetism,hysteresisloop1959-1970sconceptofSoftModes,Pb(ZrxTi1-x)O3(PZT)basedpiezoelectrics1980stoday,militarytodomesticuse,wangcl,17,国内概况,二十世纪五十年代，上海交通大学开设电介质物理课程，陈季丹山东大学压电铁电陶瓷教研室（1976），电介质教研室1986中科院物理所，上海硅酸盐研究所,山东大学晶体材料研究所，中科院福建物质结构研究所，四川压电与器件研究所西安交通大学,清华大学,中山大学,同济大学,浙江大学，天津大学，四川大学，湖北大学，陕西师范大学，武汉理工大学，上海交通大学等企业，国营798厂,私营民营企业,wangcl,18,最新动态,铁电聚合物:PVDF-TrFE铁电单晶:PMN-PT铁电薄膜:FeRAM-集成铁电学integratedferroelectrics弛豫铁电体:Relaxor微机电系统MicroElectricMachenicSystem(MEMS)液晶显示liquidcrystals,wangcl,19,学习本课程所需的前续知识,力学：牛顿定律（Newtonslaw），虎克定律（Hookslaw）,应力、应变和弹性常数电磁学：麦克斯伟方程组，Maxwellequations，物质方程，constituteequation热力学和统计力学：热力学函数，自由能量子力学：波函数，本征态、本征能量固体物理：晶体，点阵和晶格振动数学物理方法：特殊函数,wangcl,20,压电物理部分,压电方程组,材料参量(介电、弹性、压电)之间的关系,振动模式和机电转换,元件性能分析,wangcl,21,参考书籍,张沛霖、钟维烈编著，压电材料与器件物理山东科学技术出版社，济南，1997,wangcl,22,铁电体|自发极化,实际应用,晶体结构,基本现象早期理解,热力学理论,微观机制软模概念,介电响应,畴结构和极化反转过程,热释电效应,铁电物理部分,wangcl,23,参考书籍,精装版，1996,平装版，2000,wangcl,24,参考书籍,殷之文主编，电介质物理学科学出版社，北京，1989年7月第一版2003年5月第二版,wangcl,25,学习本课程所需的固体物理知识,第一章,wangcl,26,晶体结构和基本概念,晶态和非晶态晶体的物理模型：点阵与基元，晶格晶向、晶面和米勒指数七大晶系和十四中布拉菲格子对称性和点群晶体中的三十二个点群晶轴和坐标系的选择,wangcl,27,晶体的外形：以石英为例,wangcl,28,Quartzcrystal,理想石英外形：分为左旋石英和右旋石英晶体成分：SiO2,wangcl,29,晶面角守恒定律,同一品种的晶体，不论其外形如何，两个相应晶面之间的夹角保持不变。这个普遍规律被概括为:晶面角守恒定律。由于外界条件的不同，晶体在生长过程中，这个晶面比那个晶面可能生长地更快些，甚至有的晶面在外形上并不出现，但两个对应晶面之间的夹角总是不变。,wangcl,30,例如，石英晶体中的两个m面之间的夹角总是12000，r面和s面之间的夹角总是11308。晶面守恒定律的发现对于结晶学的发展起了很大的促进作用。例如，从晶面角之间的关系导致晶体对称性概念的产生。,wangcl,31,不一定是这样的：规则外形=规则微结构,晶体一般有规则的外形。如石英、钻石、NaCl、雪花、冰等。X射线衍射可以得到一系列分立尖锐的峰。一般有固定的溶点。非晶材料没有规则的外形。如普通玻璃、石蜡、沥青、琥珀等。X射线衍射只能观察到一个宽化的弥散的峰。没有一个确切的溶解温度。,wangcl,32,晶态与非晶态：微观结构,非晶态SiO2,wangcl,33,非晶态和晶态界面a-amorphousc-crystal,wangcl,34,晶态：原子或离子周期性重复排列的状态。晶体：处于晶态的固体材料。以硅（Si）为例：非晶硅，单晶硅，多晶硅单晶硅：制造各种半导体芯片的原料非晶硅：太阳电池板，成本低多晶硅：陶瓷材料，每个小颗粒是单晶,wangcl,35,物理简化,晶体=点阵+基元基元：原子、离子、原子团，分子集团等点阵：用一个几何点表示上述基元后，晶体所构成的点子阵列点阵是无限大沿三维周期性排列的点子用直线以某种方式把点子连接起来所形成的格子称为晶格。（晶格动力学）,wangcl,36,wangcl,37,点阵示例,wangcl,38,晶格示例,wangcl,39,晶格示例,wangcl,40,原胞，晶胞（cell）,为了研究方便，选取一个重复单元：原胞或叫晶胞原胞的选取的方式可以有很多种，通常以下二种原胞最为常见考虑对称性，更全面地了解晶体性质：晶体学原胞最小重复单元，理论研究方便：固体物理学原胞,wangcl,41,二维点阵和原胞,wangcl,42,三维点阵和原胞,wangcl,43,基矢（BasisVector）,问题：相同的格子，不同原胞的选取方式，基矢不同！,wangcl,44,晶系和布喇菲格子,通常描写晶胞的六个物理量是三个基矢的长度和基矢之间的夹角，如图所示a，b，c，通常又称为晶格常数，可以由x射线确定根据a，b，c，的不同，晶格可分为七大晶系和十四种布喇菲格子,wangcl,45,七大晶系sevensystems,wangcl,46,布喇菲格子BravaisLattices,属于每一晶系的空间格子，因为重复单元所包括的点子（格点、结点）不同，又可分为一种或几种类型。这样，七个晶系中共有14种重复单元，通常称为14种布喇菲格子。14种布喇菲格子中，按每个格子所包含的结点数目，又可分为原始格子、底心格子、体心格子和面心格子四种。,wangcl,47,十四种布喇菲格子,三斜：简单单斜：简单，底心正交：简单，体心，面心，底心四方：简单，体心六角：简单三角：简单立方：简单，体心，面心,问题：为什么没有四方面心和底心格子？立方没有底心格子？,wangcl,48,14BravaisLattices,Triclinic:simpleMonoclinic:simple,side-centeredOrthorhombic:simple,body-centered,face-centered,side-centeredTetragonal:simple,body-centeredHexagonal:simpleTrigonal:simpleCubic:simple(sc),body-centered(bcc),face-centered(fcc),wangcl,49,wangcl,50,体心立方格子（bcc）,Body-centered-cubic每个原胞有2格点,wangcl,51,面心立方格子（fcc）,face-centered-cubic每个原胞有4格点,wangcl,52,晶棱与晶向edge&direction,由于晶体结构的周期性，晶格中各格点的周围情况都是一样的，因此通过任意两个格点作一条直线，则在直线上所有格点的周期相同，这样的直线称为晶棱。再通过其它格点还可以做许多与此晶棱平行的直线，这些平行直线组成一个晶棱族。同一晶棱的方向相同，而且能把所有点子包括无遗。,wangcl,53,图1-8,wangcl,54,通过同一格点还可沿不同方向作无限多晶棱，如图1-9中通过O的晶棱有1、2、3、4、5等等，其中每一个晶棱都有一组晶棱与之对应，就是说，可以做无限多个晶棱族，各族晶棱可以通过取向不同而加以区别。晶棱的取向也简称晶向。只要表出了晶向，该组晶棱的特点也就知道了。,wangcl,55,图1-9,wangcl,56,表示晶向的方法,取格点O为原点，a、b、c为晶胞的三个基矢，则其它任一格点A的位置矢量为,式中l1、l2、l3为整数（或有理数）。取l1、l2、l3的互质比，即l1：l2：l3来表示晶棱OA的方向，通常不直接用比例记号，该用l1l2l3记号表示之。,wangcl,57,例如在图1-9中，晶棱1上A点为l1=1，l2=1，l3=0；B点为l1=2，l2=2，l3=0；比值为：l1：l2：l3=1：1：0=2：2：0，由此可得晶棱1的方向为110。同理可得晶棱2的方向为320，晶棱4的方向为30，其中记号“”代表“-1”。以及a、b、c轴的方向为100、010、001（c轴与图平面垂直，未画出）,wangcl,58,晶面与晶面指数,晶格中，还可以从各个方向上划分成无限多平面族，即晶面族，如图1-10所示。一族晶面中，彼此距离相等，方向相同，格点在晶面上的分布也相同。从立体几何中知道，要描述一个平面的方向，就是表示出这个平面在三个坐标轴上的截距，描写晶面方向的方法也是如此。,wangcl,59,图1-10,wangcl,60,选取与晶轴平行的基矢a、b、c为坐标轴。假设有一个晶面与此三个坐标轴相交于M1、M2和M3三点（如图1-11所示），截距分别等于：OM1=ra，OM2=sb，OM3=tc。在图1-11中r=3，s=2，t=1，因为一般晶面一定包含了所有格点，所以截距的长度是一组有理数，或者说截距的倍数是晶格常数的整数倍，如果晶面与某一坐标轴平行，则晶面在此坐标轴的截距为无限大（例如，若晶面与b轴平行，则s=）。,wangcl,61,图1-11,wangcl,62,密勒指数MillerIndices,为了避免使用无限大，常采用截距倒数的互质整数比，即用:,来表示晶面的方向。通常不用比例记号，该用（hkl）记号来表示晶面的方向。（hkl）称为晶面指数，或称为米勒（Miller）指数。,wangcl,63,如图1-11中的晶面指数为:,即M1M2M3面的米勒指数为（236）。有时也称M1M2M3面为（236）晶面。,wangcl,64,图1-12画出了用米勒指数表示的一些晶面，在此图中，c轴与图面垂直。从图中还可以看出米勒指数越小的晶面