铁电材料及其应用

铁电材料及其应用 1 2 目录 引言铁电薄膜的晶体结构铁电薄膜的电性能铁电薄膜的应用总结 2 2020 4 22 什么是铁电材料 铁电体 铁磁体 具有自发磁化的现象 3 2020 4 22 压电材料和铁电材料 压电材料 压电材料 机械能与电能相互转换的功能材料 铁电材料 具有压电效应材料中 能自发极化的一类材料 热释电材料 压电材料 一般介电材料 压电材料 热释电材料 铁电材料 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 这种在无外电场作用下存在的极化现象称为自发极化 4 2020 4 22 铁电材料的发展历史和现状 罗息盐时期 发现铁电性KDP时期 热力学理论钙钛矿时期 软模理论铁电薄膜及其器件时期 小型化 5 2020 4 22 6 2020 4 22 铁电薄膜的晶体结构及自发极化 氧八面体排列 A 1 1 1 B 8 1 8 1 O 6 1 2 3 原胞 7 2020 4 22 钛酸钡晶体及自发极化 钛酸钡的氧八面体结构 8 2020 4 22 立方晶相 a b c 90 四方晶相 a b c 90 正交晶相 a b c 90 三角晶相 a b c 90 9 2020 4 22 自发极化的微观机制 极轴导致自发极化热运动引起的自发极化有序无序型极化 10 2020 4 22 11 2020 4 22 氧八面体空腔体积大于钛离子体积 给钛离子位移的余地 由热运动导致的自发极化 较高温度时 钛离子热振动能较大 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 12 2020 4 22 较低温度时 钛离子热振动能降低 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 有可能偏离平衡位置向某一个氧离子靠近 偶极矩间的相互作用使偏离平衡位置的离子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 使晶体顺着该方向延长 晶胞发生轻微畸变 由立方变为四方晶体 13 2020 4 22 铁电薄膜的电性能 介电性压电性热释电性铁电性 14 2020 4 22 介电性 介电性的表示 实部 介电常数代表了电介质的极化程度 也就是对电荷的束缚能力 介电常数越大 对电荷的束缚能力越强 虚部 材料内部的各种转向极化跟不上外高频电场变化而引起的各种弛豫极化所致 代表着材料的损耗项 通常用损耗角正切tan 表示 1 jtan 15 2020 4 22 压电性 压电效应 当晶体受到机械力的作用时 表面将产生束缚电荷 电荷密度的大小和所受到的机械力成线性关系 这种由机械力产生电效应的过程称之为压电效应 力 形变 电压正压电效应 电压 形变逆压电效应 16 2020 4 22 压力 压力 极化面 V 压电效应及可逆性 17 2020 4 22 1 压电单晶 典型代表石英晶体 压电效应的物理机制 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电荷而产生的 18 2020 4 22 逆压电效应和电致伸缩效应的区别 电致伸缩效应 晶体在外界电场E的激励下产生形变S S 这种效应称为电致伸缩效应 与逆压电效应的区别 E S 逆压电效应 电致伸缩效应 19 2020 4 22 热释电性 热释电性 由于温度的变化 晶体出现结构上的电荷中心相对位移 使自发极化强度发生变化 从而在两端产生异号的束缚电荷 这种现象称之为热释电性 压电体和热释电体的区别和联系 区别因为温度变化引起晶体胀缩无方向性 因此由政府电荷中心位移产生的压电晶体并不产生热释电效应 联系虽然温度变化引起晶体胀缩无方向性 但是由于自发极化偶极矩的存在使热释电晶体具有压电效应 20 2020 4 22 铁电性 电畴的概念畴 原子或离子有序排列的区域 畴与畴之间的边界叫做畴壁 21 2020 4 22 E 22 2020 4 22 90 畴壁 180 畴壁 23 2020 4 22 24 2020 4 22 A B O C F D E 25 2020 4 22 改进型的Sawyer Tower电路 Sawyer Tower电路 26 2020 4 22 因为Cx和C0是串联的 故两个电容器上的电荷是一样多的 即 Qx Qc Q 1 2 2 1 C Q C A D C 因为样品的有效面积A和电容C是已知的 A C为常数故U2与电位移D成正比 对于压电陶瓷 r 1 故D P 因此U2与P成正比 27 2020 4 22 电容器上的电压U2接到示波器的垂直致偏电极上 垂直幅度Uy与电压U2成正比 也就是说 示波器垂直幅度与电位移D 或极化强度P 成正比 水平致偏电极则接到电位器W的滑动接点上 由于C Cx 故U U1 因此水平致偏电极之间的水平幅度电压Ux正比于试样两端的电压U1 而试样两端的电场强度E U1 d 因此在示波器上可以观察到P E 或D E 曲线 即电滞回线 28 2020 4 22 居里温度 铁电 顺电转变温度 当温度高于某一数值时 由于热扰动 自发极化变为零 晶体将不再具备铁电性 这一临界温度就称为居里温度Tc 在居里点以下 由于存在自发极化 晶体呈现铁电性 为铁电相 居里电以上 材料为顺电相 BaTiO3的例子 120 0 5 90 9 29 2020 4 22 临界特性 晶体在发生顺电 铁电相变或其它极化状态发生变化的结构相变时 晶体的一系列物理性质发生反常变化 例如晶体的介电性质 弹性 压电性 光学性质 热学性质等大都出现明显的变化 晶体在相变点附近发生的各种性能反常变化通称为临界现象 30 2020 4 22 铁电薄膜的应用 声表面滤波器 SurfaceAcousticWaveFilter SAW换能器热释电探测器存储器 31 2020 4 22 压电基片 吸声材料 声表面滤波器的一般结构示意图 声表面滤波器 SurfaceAcous