铁电材料及其应用（干货分享）

1、铁电材料及其应用 1 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电性能 铁电薄膜的应用铁电薄膜的应用 总结 2 什么是铁电材料？什么是铁电材料？ 磁 电 铁 电 体 铁 磁 体 具有自发磁化的 现象 3 压电材料和铁电材料压电材料和铁电材料 压电材料 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：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重合，即每一个晶胞具有一定

2、的固有偶 极矩，由于晶体结构的周期性和重复性，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在无外电场作用下存在的极化现象称为 自发极化自发极化 4 铁电材料的发展历史和现状铁电材料的发展历史和现状 罗息盐时期罗息盐时期发现铁电性 KDP时期时期热力学理论 钙钛矿时期钙钛矿时期软模理论 铁电薄膜及其器件时期铁电薄膜及其器件时期小型化 5 时间时间事件事件人物人物 1824在罗息盐中发现热释电性Brewster 1921发现罗息盐具

3、有铁电性Valasek 1935Busch 1944 1949Devonshire 1951提出反铁电体概念 1964研制出铁电半导体(PTC)器件 1977研制出铁电薄膜 1993铁电薄膜和硅技术结合 6 铁电薄膜的晶体结构及自发极化铁电薄膜的晶体结构及自发极化 氧八面体排列 原胞 7 钛酸钡晶体及自发极化钛酸钡晶体及自发极化 钛酸钡的氧八面体结构 8 立方晶相立方晶相：a = b = c， = = = 90 四方晶相四方晶相：a = b c， = = = 90 正交晶相正交晶相： a b c = = = 90 三角晶相三角晶相：a = b = c = = 90 9 自发极化的微观机制自发极

4、化的微观机制 u极轴导致自发极化 u热运动引起的自发极化 u有序无序型极化 10 - + +- + - + + - + 极极 化化 轴轴 C - + + - - + 极性轴导致的自发极化极性轴导致的自发极化 - + - + 固固 有有 偶偶 极极 子子 正正 电电 荷荷 与与 负负 电电 荷荷 层层 交交 替替 排排 列列 - + - + - + - + 11 氧八面体空腔体积大于钛离子体积，给钛离子位移的余地。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较高温度时，钛离子热

5、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。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 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

6、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。延长，晶胞发生轻微畸变，由立方变为四方晶体。 图图 B 13 铁电薄膜的电性能 介电性 压电性 热释电性 铁电性 14 介电性 15 压电性 压电效应：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压电效应。 16 压电介质压电介质 机械能机械能电能电能 正压电效应正压电效应 逆压电效应逆压电效应 压电效应及可逆性压电效应及可逆性 1

7、7 (1)(1)压电单晶压电单晶典型典型 代表石代表石 英晶体英晶体 压电效应的物理机制压电效应的物理机制 晶体内部正负离子的偶极矩在外力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，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。面出现剩余电电荷而产生的。 x y x y x y x y (a)(a)(b)(b)(c)(c)(d)(d) 18 逆压电效应和电致伸缩效应的区别 与逆压电效应的区别与逆压电效应的区别 E S 逆压电效应逆压电效应

8、 电致伸缩效应电致伸缩效应 19 热释电性 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 铁电性 u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 E 22 90畴壁 180畴 壁 23 自发极化 剩余极化 矫顽电场 C

9、B O D E F A 24 A B O&C&F D E C B O D E F A 25 改进型的Sawyer & Tower 电路 Sawyer & Tower 电路 26 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 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，r1，故D P， 因此U2与P成正比 27 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CCx，故UU

10、1，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 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不再具备铁电性，这一临界温度就称为居里温度T Tc c。 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。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。居里电以上，材料为顺电相。 BaTiOBaTiO3 3的例子：的

11、例子： 120 0120 05 5 90909 9 顺电相顺电相铁电相铁电相铁电相铁电相铁电相铁电相 立方相立方相四方相四方相正交相正交相三方相三方相 29 晶体在发生顺电晶体在发生顺电- -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、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。种性能反常变化通称为临界现象。 c c C TT CT 居里外斯定律 顺电相的介电常数遵循 ：居里外斯常数； ：居里外斯温度 30 铁电薄膜的应用 声表面滤波器(Surface Acoustic Wave Filter) S