材料物理2010第4章11-1自发电极化与铁电性-110223

1、材料物理 上海大学材料物理材料物理第第1111章章 铁电性质铁电性质 11.1 11.1 电介质的极化与铁电性电介质的极化与铁电性铁电体属于电介质,可自发电极化,也可在外电场下电极化;具有压电性/热释性等丰富的光电热效应, 重要的功能材料!材料物理 上海大学 电介质是在电场作用下具有极化能力并在其中长期存在电场的一种物质 电介质具有极化能力和其中能够长期存在电场的性质是电介质的基本属性 电介质体内一般没有自由电荷，具有良好的绝缘性能 电介质又可称为绝缘材料（insulating material）或绝缘体（insulator） 电介质的概念及特点电介质的概念及特点 材料物理 上海大学 介电常数

2、介电常数: 是介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场(真空中)与最终介质中电场比值即为介电常数(permittivity),又称诱电率。 电导电导: 是指电介质在电场作用下存在泄露电流 介电损耗介电损耗: 是电介质在电场作用下存在电能的损耗 击穿击穿: 是指在强电场下可能导致电介质的破坏 电介质的四大基本常数电介质的四大基本常数材料物理 上海大学介质的电极化响应理论介质的电极化响应理论; ;电介质中的电荷转移、电导和电击穿理论电介质中的电荷转移、电导和电击穿理论; ;电介质的唯象理论电介质的唯象理论; ;电介质的微观理论和铁电理论电介质的微观理论和铁电理论 电介质的理论电介质的理

3、论材料物理 上海大学11.1.1 11.1.1 电介质的极化电介质的极化按照对外电场的响应方式可将材料分为两类：按照对外电场的响应方式可将材料分为两类：以传导的方式响应以传导的方式响应 : 导电材料导电材料电荷长程迁移电荷长程迁移以感应的方式响应以感应的方式响应: 电介质电介质沿电场方向产生电偶极矩或电偶极矩的改变沿电场方向产生电偶极矩或电偶极矩的改变 绝缘体，无自由电荷绝缘体，无自由电荷一、电介质极化的微观机制一、电介质极化的微观机制 电介质可以分为两类：电介质可以分为两类： （1）非极性电介质和（）非极性电介质和（2）极性电介质）极性电介质从电学性质看电介质的分子可分为两类：从电学性质看电

4、介质的分子可分为两类：无极分子、有极分子无极分子、有极分子 每个分子负电荷对外影响均可等效为单独一个静止的每个分子负电荷对外影响均可等效为单独一个静止的负电荷负电荷 的作用。其大小为分子中所有负电之和，的作用。其大小为分子中所有负电之和，这个等效这个等效负电荷的作用位置负电荷的作用位置称为分子的称为分子的“负电作用中心负电作用中心”。材料物理 上海大学 同样，所有正电荷的作用也可等效一个静止的正电同样，所有正电荷的作用也可等效一个静止的正电荷的作用，这个荷的作用，这个等效正电荷作用的位置等效正电荷作用的位置称为称为“正电作用正电作用中心中心”。+无极分子：无极分子：正负电荷作用中心重合的分子；

5、正负电荷作用中心重合的分子；如如H2、N2、O2、CO2有极分子：有极分子：正负电荷作用中心不重合的分正负电荷作用中心不重合的分子。子。如如H2O、CO、SO2、NH3.+-+H2在无外场作用下整个分子在无外场作用下整个分子无电矩无电矩。-+OH+H+H2O+- 有极分子对外影响等效为一个电偶极有极分子对外影响等效为一个电偶极子，子，在无外场作用下存在在无外场作用下存在固有电偶极矩固有电偶极矩。材料物理 上海大学（1）无极分子电介质的极化无极分子电介质的极化在没有外电场时，无极分子没有电偶极矩，分子不显电性。在没有外电场时，无极分子没有电偶极矩，分子不显电性。有外场时呈现极性。有外场时呈现极性

6、。 这种由于正电中心和负电这种由于正电中心和负电中心的移动而形成的极化现象中心的移动而形成的极化现象叫做叫做位移极化位移极化。0E位移极化位移极化P0E位移极化主要是由电子的移动造成的。位移极化主要是由电子的移动造成的。 外场越强，分子电矩的矢量和越大，极化也越厉害。外场越强，分子电矩的矢量和越大，极化也越厉害。 均匀介质极化时在介质表面出现极均匀介质极化时在介质表面出现极化电荷化电荷; ; 非均匀介质极化时，介质的表面及非均匀介质极化时，介质的表面及内部均可出现极化电荷内部均可出现极化电荷材料物理 上海大学（2）有极分子电介质的极化有极分子电介质的极化在没有外电场时，有极分子在没有外电场时，

7、有极分子正负电荷中心正负电荷中心不重合，分子存在不重合，分子存在固有电偶极矩固有电偶极矩。但介质。但介质中的电偶极子排列杂乱中的电偶极子排列杂乱, ,宏观不显极性。宏观不显极性。有外场时电偶极子在外场作用下发生转有外场时电偶极子在外场作用下发生转向，使电偶极矩方向趋近于与外场一致向，使电偶极矩方向趋近于与外场一致所致。所致。 这种由分子极矩的转向而引起的极化现象这种由分子极矩的转向而引起的极化现象称为称为取向极化取向极化。0EF 由于分子的无规则热运动，这种由于分子的无规则热运动，这种转向只能是部分的，遵守统计规律。转向只能是部分的，遵守统计规律。0E 在外电场中，在有极分子电介质表在外电场中

8、，在有极分子电介质表面出现极化电荷面出现极化电荷F材料物理 上海大学外场越大，电矩趋于外场方向一致性越好，电矩的矢量和也越大外场越大，电矩趋于外场方向一致性越好，电矩的矢量和也越大说明：说明：电子位移极化效应电子位移极化效应在任何电介质中都存在在任何电介质中都存在，而分子转向，而分子转向极化只是由有极分子构成的电介质所特有的，只不过在有极分极化只是由有极分子构成的电介质所特有的，只不过在有极分子构成的电介质中，取向极化效应比位移极化强得多，因而是子构成的电介质中，取向极化效应比位移极化强得多，因而是主要的。主要的。综综述：述：1）不管是位移极化还是取向极化，其最后的宏观效果都是）不管是位移极化

9、还是取向极化，其最后的宏观效果都是产生了极化电荷。产生了极化电荷。2）两种极化都是外场越强，极化越厉害，所产生的分子电）两种极化都是外场越强，极化越厉害，所产生的分子电矩的矢量和也越大。矩的矢量和也越大。3 3）极化电荷被束缚在介质表面，极化电荷被束缚在介质表面，不能离开电介质到其它带不能离开电介质到其它带电体，也不能在电介质内部自由移动。它不象导体中的自由电体，也不能在电介质内部自由移动。它不象导体中的自由电荷能用传导方法将其引走，称为束缚电荷。电荷能用传导方法将其引走，称为束缚电荷。材料物理 上海大学1、电偶极矩：、电偶极矩：由大小相等、符号相反、彼此相距为l的两点电荷(+q、-q)所组成

10、的束缚系统，称为偶极子，偶极子的大小和方向常用电偶极矩p来表示(方向由负电荷指向正电荷) 111( l qp二、电介质定义及有关物理量：二、电介质定义及有关物理量：电偶极矩的单位为电偶极矩的单位为C.m(库仑库仑.米米).在分子物理中，常用德拜在分子物理中，常用德拜(D)为单位，为单位，1D等于等于10-18cgs(静电单位静电单位)，相当于，相当于3.3310-28C.cm。H2O的电偶极矩为的电偶极矩为1.85D,HCl的电的电偶极矩为偶极矩为1.08D.+H+HOl正电荷中心正电荷中心负电荷负电荷中心中心材料物理 上海大学2 2、电极化强度：、电极化强度：单位体积内的电偶极矩总和称为电极

11、化强度，用P表示。 (库/米2) )211(/VpPP是描述电介质极化状态的基本物理量。是描述电介质极化状态的基本物理量。 如果在电介质中各点的极化强度矢量大小和方向都相同，则如果在电介质中各点的极化强度矢量大小和方向都相同，则称该极化是均匀的；否则极化是不均匀的。称该极化是均匀的；否则极化是不均匀的。极化强度P和有效电场E关系: 0PE 式中：0 为真空介电常数，其值为8.8510-12F/m, 为电介质的介电极化率，是个无量纲的数。 电介质在电场中的极化将使电位移矢量D变化材料物理 上海大学式中：式中： 为电介质的绝对介电常数；为电介质的绝对介电常数；表征电介质极化并储存电荷表征电介质极化

12、并储存电荷的能力的宏观物理量。的能力的宏观物理量。 ) 311()1 (00000EEEEPED1 在描述物质的介电性质时，使用绝对介电常数在描述物质的介电性质时，使用绝对介电常数和宏观极化率和宏观极化率在在物理上是等价的。物理上是等价的。材料物理 上海大学三、极化强度与极化电荷的关系三、极化强度与极化电荷的关系对非均匀极化的电介质，在已极化的介质对非均匀极化的电介质，在已极化的介质内任意作一闭合面内任意作一闭合面S基本认识基本认识：1）S 把位于把位于S 附近的电介质分子分为附近的电介质分子分为两部分两部分 一部分在一部分在 S 内内 一部分在一部分在 S 外外2）只有只有电偶极矩电偶极矩穿

13、过穿过S 的分子对的分子对 S内外内外的极化电荷的极化电荷才才有有贡献贡献S注意注意: : 介质极化有介质极化有均匀极化与非均匀均匀极化与非均匀极化之分。极化之分。材料物理 上海大学SdcosSqnlqddcosSPdSPd1.1.小面元小面元d dS S附近分子对面附近分子对面S S内极化电荷的贡献内极化电荷的贡献S分子数密度为分子数密度为 n在在dS附近薄层内认为介质均匀极化附近薄层内认为介质均匀极化薄层：以薄层：以dS为底、长为为底、长为l的圆柱体的圆柱体只有中心落在薄层内的分子才对只有中心落在薄层内的分子才对面面S内电荷有贡献。内电荷有贡献。所以，所以，lnqP lP外场外场Sd材料物

14、理 上海大学2.在在S所围的体积所围的体积内内的极化电荷的极化电荷与与的关系的关系qPSSPqd3.电介质表面（电介质表面（外外）极化电荷面密度）极化电荷面密度n P若为均匀极化，在电介质内部呈现电中性；而表面具有束缚电荷，若为均匀极化，在电介质内部呈现电中性；而表面具有束缚电荷，面束缚电荷在电介质内部产生一个电场，为退极化电场，与面束缚电荷在电介质内部产生一个电场，为退极化电场，与P反向。反向。材料物理 上海大学介质的极化特性与晶体结构关系介质的极化特性与晶体结构关系 晶体的对称性决定着晶体的很多物理性质，在描述晶体对称性的32种点群中，有20种是非中心对称点群。非中心对称点群晶体的电偶极矩

15、可因弹性形变而变化，出现一些特殊的物理性质。 几种与晶体对称性相关的重要物理性质：A：压电效应，B：热释电效应C：铁电效应，D：旋光性， E：二次谐波倍频效应F：对映体现象20种非对称点群（压电性）其中10种（自发极化，自发极化随温度改变，具有热释电性） 其中部分晶体的自发极化在外电场下改变方向，P与E具有电滞回线（铁电性）铁电体同时具有热释电性、压电性和介电性，受到特别关注材料物理 上海大学11.1.2 11.1.2 自发极化与铁电性自发极化与铁电性1665年前后 法国人 Pierre de la Seignette最早试制成功罗息盐（RS）（酒石酸甲钠,NaKC4H4O64H2O）1920

16、年 法国人Valasek发现首次报道了第一个被发现的铁电体罗息盐的奇异的非线性介电性能，导致了“铁电性”概念的出现。1920年成为铁电物理学研究开始的象征！20世纪50年代以来，人们合成和发现的铁电体种类急剧增加。20世纪80年代以来，铁电体作为一类新型功能材料而迅速发展材料物理 上海大学按结构转变的特征分类按结构转变的特征分类 有序一无序型转变的铁电体：有序一无序型转变的铁电体：其转变是同离子个体的有序化相联系的有序一无序型铁电体包含有氢键的晶体，这类晶体中质子的运动与铁电性有密切关系。如磷酸二氢钾（KDP）及其同型盐就是如此。 位移型转变的铁电体：位移型转变的铁电体：这类铁电晶体的转变是与

17、一类离子的亚点阵相对于另一亚点阵的整体位移相联系。属于位移型铁电晶体的有BaTiO3、LiNbO3等含氧的八面体结构的双氧化物；迄今为止，已发现的具有铁电性的材料，就有一千多种，它们可以按不同方法进行分类。一、铁电晶体的分类一、铁电晶体的分类材料物理 上海大学含含氧八面体的铁电体：氧八面体的铁电体：如BaTiO3（BaOTiO2）、KNbO3（K2O-Nb2O5）、LiNbO3 （Li2ONb2O5）等，这类晶体是从高温熔体或熔盐中生长出来的，又称为硬铁电体 它们可以归结为ABO3型，Ba2+，K+、Na+离子处于A位置，而Ti4+、Nb6+、Ta6+离子则处于B位置。按结构和自发极化产生的机

18、制分类按结构和自发极化产生的机制分类 含有氢键的铁电体：含有氢键的铁电体：磷酸二氢钾（KDP）、三甘氨酸硫酸盐（TGS）、罗息盐（RS）等。这类晶体通常是从水溶液中生长出来的，故常被称为水溶性铁电体，又叫软铁电体； 含氟八面体的铁电体含氟八面体的铁电体 含有其它离子基团的铁电体含有其它离子基团的铁电体材料物理 上海大学钙钛矿型(ABO3)铁电体的自发极化 位移型铁电体位移型铁电体(a)：高温时为立方相，：高温时为立方相，有对称中心，正负电荷有对称中心，正负电荷重心互相重合，因而不重心互相重合，因而不具有自发极化。具有自发极化。以钛酸铅以钛酸铅(PbTiO3)为例为例材料物理 上海大学(b)当温

19、度降低到当温度降低到490度时，发生顺电铁电相变：度时，发生顺电铁电相变：TiO6八面体基八面体基团发生畸变，基团中的团发生畸变，基团中的Ti沿沿4次轴相对次轴相对O原子移动，原子移动，Pb也在同方也在同方向移动，向移动，O原子也偏离了正八面体。此时晶体转变为四方晶系，原子也偏离了正八面体。此时晶体转变为四方晶系，没有对称中心，每个晶包就具有没有对称中心，每个晶包就具有自发非零电偶极矩自发非零电偶极矩，晶体也就，晶体也就变成了铁电体。变成了铁电体。材料物理 上海大学有序无序型铁电体有序无序型铁电体材料中其某种原子或原子团在晶胞中有两个或两个以上平衡材料中其某种原子或原子团在晶胞中有两个或两个以

20、上平衡位置；较高温度时，这些原子或原子团无序占据这些平衡位位置；较高温度时，这些原子或原子团无序占据这些平衡位置，总体自发极化为，为置，总体自发极化为，为顺电相顺电相；T TC C以下，原子或原子团优先占据某平衡位置，因而总体的自以下，原子或原子团优先占据某平衡位置，因而总体的自发极化不为，为发极化不为，为铁电相铁电相。典型代表：典型代表：KHKH2 2POPO3 3（其中（其中H H离子出现有序化）离子出现有序化）材料物理 上海大学世纪年代开始，将对称破缺引入到相变理论，强调对称性的重要性对称性的存在与否是不容模棱两可的,高对称性相中某一对称元素突然消失,就对应于相变的发生,导致低对称相的出

21、现。 对称性对称性 有序化程度有序化程度序参量序参量D D： 描写系统内部有序化程度，表征相变过程的基本参量.高对称相中为零，低对称相中不为零。将序参量的出现和晶体对称性的降低联系起来。 在连续相变点附件体系的自由能可以表示为序参量的幂级数。二、铁电理论二、铁电理论I I：铁电宏观理论：铁电宏观理论-朗道相变理论朗道相变理论材料物理 上海大学 熵(entropy)： 比热(specific heat)：GST SC=TT如果特征函数连续但一级导数不连续则相变是一级的，如果一级导数连续，但二级导数不连续，则相变是二级的。 将特征函数写为将特征函数写为D的各偶次幂之和：的各偶次幂之和：246000

22、111G=GTT DDD246T0：Curie-Weiss Temperature特征函数：弹性吉布斯自由能G材料物理 上海大学世纪年代，从原子或分子机制来说明铁电体的铁电世纪年代，从原子或分子机制来说明铁电体的铁电性质取得进展性质取得进展铁电相变的软模理论以晶格动力学为基础；以晶格动力学为基础；波恩和黄昆波恩和黄昆：一个晶体可以稳定存在的条件是它对于其晶格中所有：一个晶体可以稳定存在的条件是它对于其晶格中所有频率的简正振动是稳定的（该点在相变理论研究中未引起重视）。频率的简正振动是稳定的（该点在相变理论研究中未引起重视）。自发极化的出现联系于布里渊区中心某个光学横模的自发极化的出现联系于布里

23、渊区中心某个光学横模的“软化软化” 科考仑和安德森。科考仑和安德森。简谐振动中，连接小球的弹簧在外力作用下变软，直至弹性系数变简谐振动中，连接小球的弹簧在外力作用下变软，直至弹性系数变为为0 0，该振动模式被，该振动模式被“冻结冻结”。 铁电理论II: 铁电相变的微观理论材料物理 上海大学在甚小于波长尺度在甚小于波长尺度范围内各晶胞中相范围内各晶胞中相应的离子同步运动。应的离子同步运动。若该振动模被冻结，若该振动模被冻结，则这些晶胞中的正则这些晶胞中的正负离子具有同样的负离子具有同样的相对位移，则晶体相对位移，则晶体出现均匀的自发极出现均匀的自发极化。化。光学模：原胞中格点之间的相对运动，包括

24、正负离子之间的相对移动。晶格对称性变化，导致自发极化布里渊区中心某个光学布里渊区中心某个光学模：波矢小，波长很大。材料物理 上海大学研究相变中软模的实验手段主要是：研究相变中软模的实验手段主要是：喇曼散射、中子散射和红外光谱喇曼散射、中子散射和红外光谱振动模频率平方随温度线性下降至零材料物理 上海大学三、电畴和极化过程三、电畴和极化过程电畴：铁电晶体内自发极化一致的区域。实际铁电晶体往往是多畴的。例1：铌酸锂是一种透明单晶铁电体，熔点为1250，居里点为1210。其自发极化方向可沿c或-c方向。180o畴：自发极化相反的区域称为180o畴，其界面称为180o畴界。例2：PbTiO3TC以下自发

25、极化可能沿六个方向发生，因而可能存在六种电畴。材料物理 上海大学电畴结构的稳定应使系统自由能最低！电畴结构的稳定应使系统自由能最低！自由能包括：静电能、退极化能、弹性能自由能包括：静电能、退极化能、弹性能铁电体的畴结构取决于：铁电体的畴结构取决于：(1)(1)静电能、退极化能、弹性能的竞争和平衡；静电能、退极化能、弹性能的竞争和平衡；(2)(2)与晶体的历史有关。与晶体的历史有关。铁电畴可用偏光铁电畴可用偏光显微镜、透射电显微镜、透射电镜、扫描电镜、镜、扫描电镜、XRDXRD和化学腐蚀法和化学腐蚀法进行观察。进行观察。材料物理 上海大学利用外电场下控制电畴的三种方法：利用外电场下控制电畴的三种

26、方法：A A、直接加外电场、直接加外电场自发极化方向与外场平行或含有与外电场平行的分量的新畴的成核和逐自发极化方向与外场平行或含有与外电场平行的分量的新畴的成核和逐渐长大取代旧畴而实现宏观极化方向改变。渐长大取代旧畴而实现宏观极化方向改变。通常所需场很大，达到通常所需场很大，达到KV/cm量级。量级。B、先将材料加热至先将材料加热至T TC C以上，然后让它在外场中逐渐冷却至以上，然后让它在外场中逐渐冷却至T TC C以下以下这样，材料中产生的电畴将尽可能平行于外加电场，而远远低于使畴反这样，材料中产生的电畴将尽可能平行于外加电场，而远远低于使畴反转所需的电场强度。转所需的电场强度。C、在铁电

27、薄膜生长过程中施加一个低电场可有效控制铁电薄膜在铁电薄膜生长过程中施加一个低电场可有效控制铁电薄膜极化的方向极化的方向该方法已成功用于铁电薄膜和多层结构的极化方向。该方法已成功用于铁电薄膜和多层结构的极化方向。材料物理 上海大学电滞现象与电滞回线电滞现象与电滞回线（以（以BaTiO3BaTiO3为例）为例）EPoCto120 EPoCto120 ABCDsPsP rPrP 温度较高时，电极化强度与电场强度成正比。温度较低时，电极化强度与电场强度不成正比，而是滞后于电场强度的变化，形成电滞回线。材料物理 上海大学 存在一个居里温度存在一个居里温度TcTc( (常称居里点常称居里点) )，当，当T

28、 T T Tc c时，材料由铁电相时，材料由铁电相转变为顺电相，极化时电滞回线特性消失，转变为顺电相，极化时电滞回线特性消失，P P与与E E一般呈现线性一般呈现线性关系，并且介电常数随温度的变化服从居里关系，并且介电常数随温度的变化服从居里- -外斯定律：外斯定律：0/(),CC TTTT式中式中C为居里为居里-外斯常数，外斯常数，T0为居里为居里-外斯温度。对连续相变，外斯温度。对连续相变，T0=TC；对一级相变，；对一级相变，T0TC。 位移型铁电体：位移型铁电体：C较大，在较大，在105K量级量级有序无序型铁电体有序无序型铁电体：C较小，通常在较小，通常在103K量级。量级。 图图11

29、-2 PbTiO3单晶沿单晶沿C方向介电系数随温度的变化方向介电系数随温度的变化材料物理 上海大学EPoDGHsPrPrP 铁电晶体电滞回线示意图铁电晶体电滞回线示意图外电场下的极化过程外电场下的极化过程-电滞回线电滞回线- -铁电体的标志铁电体的标志 一多畴铁电单晶体，无外加场时宏观无一多畴铁电单晶体，无外加场时宏观无极化；沿某一极化轴方向施加电场，其极化；沿某一极化轴方向施加电场，其P P与与E E表现为一电滞回线。表现为一电滞回线。OAOA：感应极化和感应极化和“弹性弹性”的可逆的的可逆的畴壁移动畴壁移动ABAB：新畴成核与非可逆的畴壁移动新畴成核与非可逆的畴壁移动BCBC：P P随随E

30、 E线性增加，感应极化线性增加，感应极化B B点处点处：晶体已成为单畴，自发激化：晶体已成为单畴，自发激化达到饱和达到饱和PrPr：剩余极化，剩余极化， PsPs： 自发极化自发极化ABCFcEKOFOF表征的电场强度：表征的电场强度：矫顽场，表示将一个单畴铁电晶体变成宏观矫顽场，表示将一个单畴铁电晶体变成宏观极化为极化为0 0的多畴晶体所需的外加电场强度。的多畴晶体所需的外加电场强度。材料物理 上海大学2 2、极化时间对电滞回线的影响：、极化时间对电滞回线的影响：电畴转向需要一定的时间，时间适当长一点，极化就可以充分些，即电畴定向排列完全一些。实验表明，在相同的电场强度E作用下，极化时间长的

31、，具有较高的极化强度，也具有较高的剩余极化强度。 电滞回线的影响因素电滞回线的影响因素 1 1、极化温度对电滞回线的影响：、极化温度对电滞回线的影响：极化温度的高低影响到电畴运动和转向的难易。矫顽场强和饱和场强随温度升高而降低。极化温度较高，可以在较低的极化电压下达到同样的效果，其电滞回线形状比较瘦长。3 3、极化电压对电滞回线的影响：、极化电压对电滞回线的影响：极化电压加大，电畴转向程度高，剩余极化变大。 材料物理 上海大学4 4、晶体结构对电滞回线的、晶体结构对电滞回线的影响：影响：同一种材料，单晶体和多晶体的电滞回线是不同的。 左图反映BaTiO单晶和陶瓷电滞回线的差异。单晶体的电滞回线

32、很接近于矩形，Ps和Pr很接近，而且Pr较高；陶瓷的电滞回线中Ps与Pr相差较多，表明陶瓷多晶体不易成为单畴，即不易定向排列。材料物理 上海大学有一类物体在转变温度以下，邻近的晶胞彼此沿反平行方向自发极化。这类晶体叫反铁电体。反铁电体反铁电体 反铁电体一般宏观无剩余极化强度，但在很强的外电场作用下，可以诱导成铁电相，其PE呈双电滞回线。如锆酸铅（bZr）反铁电体，在较小时，无电滞回线，当很大时，出现了双电滞回线（如图）。反铁电体也具有临界温度-反铁电居里温度。在居里温度附近，也具有介电反常特性。材料物理 上海大学铁电陶瓷铁电陶瓷：由铁电体料粉体经过成型、烧结、极化和后加工而制成的由铁电体料粉体

33、经过成型、烧结、极化和后加工而制成的多晶体，其自发极化是紊乱取向的，主要成分是铁电体，因此称铁电陶多晶体，其自发极化是紊乱取向的，主要成分是铁电体，因此称铁电陶瓷。瓷。特点：特点：是制造容易，可做成各种形状；可任意选择极化轴方向；是制造容易，可做成各种形状；可任意选择极化轴方向；易于改变瓷料的组分而得到具有各种性能的瓷料；成本比单晶易于改变瓷料的组分而得到具有各种性能的瓷料；成本比单晶低，适于大量生产低，适于大量生产。 极化处理：极化处理：将陶瓷置于场强大于该材料矫顽场的电场中，使铁将陶瓷置于场强大于该材料矫顽场的电场中，使铁电陶瓷中的各电畴的自发极化方向转动并尽可能与外加电场方电陶瓷中的各电

34、畴的自发极化方向转动并尽可能与外加电场方向一致。向一致。极化后的铁电陶瓷具有宏观电极化，从而可作为铁电、压电和热释电材料广极化后的铁电陶瓷具有宏观电极化，从而可作为铁电、压电和热释电材料广泛应用。泛应用。例如：例如：PZTPb(ZrPZTPb(Zr1-x1-xTi)OTi)O3 3陶瓷、陶瓷、PLZTPbPLZTPb1-x1-xLaLa2x/32x/3)(Zr)(Zr1-y1-yTiTiy y)O)O3 3 陶瓷、陶瓷、PMNPb(MgPMNPb(Mg2/32/3NbNb1/31/3)O)O3 3 陶瓷及钛酸钡陶瓷及钛酸钡(BaTiO(BaTiO3 3) )陶瓷等等。陶瓷等等。材料物理 上海大

35、学基本原理是基本原理是基于电滞回线的极化反转和剩基于电滞回线的极化反转和剩余极化特性。余极化特性。四、铁电性的主要应用：铁电存储四、铁电性的主要应用：铁电存储优点：电源切除后记忆不会消失即“不挥发性”；能耗比磁芯存储器低；抗辐照性和快速存取功能。铁电存储的生命力在于它能否与现存的半导体微电子技术相兼容（足够小的体系、低的工作电压及制备工艺与半导体工艺的兼容）！50年代，制备的铁电陶瓷薄片厚度极限为10m，自发极化反转需40V电压，大大高于半导体芯片的开关电压2.55V。1986年以后，各种薄膜沉积技术发展，高质量的铁电薄膜可达25nm，所需电压降至1V以下；溶胶-凝胶技术(sol-gel)和金

36、属有机物沉积(MOD)制膜技术降低了铁电膜的制备成本。材料物理 上海大学直接利用铁电薄膜的极化反转，用一个铁电电容器中自发极化直接利用铁电薄膜的极化反转，用一个铁电电容器中自发极化“向上向上”和和“向下向下”分别代表二进制的分别代表二进制的“1 1”和和“0 0”。 1Mb1Mb的存储器要由一千行和一的存储器要由一千行和一千列铁电电容器存储单元构成。千列铁电电容器存储单元构成。“1T+1C1T+1C”结构：结构：为避免各存储为避免各存储单元之间的交叉干扰，每个铁单元之间的交叉干扰，每个铁电电容器被一个门晶体管和其电电容器被一个门晶体管和其余的分开。所以每个铁电存储余的分开。所以每个铁电存储单元

37、包含一个晶体管和一个铁单元包含一个晶体管和一个铁电电容，称为电电容，称为“1T+1C1T+1C”结构。结构。铁电不挥发存储器铁电不挥发存储器材料物理 上海大学读出数据：读出数据：向存储器加一个激发电脉向存储器加一个激发电脉冲，若所加冲，若所加E E与铁电电容器与铁电电容器的极化方向相同，则不变的极化方向相同，则不变化；化；若相反，则铁电膜极化方若相反，则铁电膜极化方向反转，则束缚电荷的变向反转，则束缚电荷的变化产生一附加电信号，从化产生一附加电信号，从而读出而读出”0 0”或或”1 1”。读出数据的过程是破坏性的。读完之后需复位。铁电存储器的重要指标之一：材料的疲劳寿命。一般要求达到1012次以上。材料物理 上海大学铁电场效应管(FeFET)-非破坏性读出的铁电存储器件门电极：铁电薄膜铁电薄膜“向上”或“向下”的极化场使FET开通或关断，分别相应于存储单元的”0”或“1”;测量FET源和漏之间的电流即可知道存储单元的状态。缺点缺点：铁电薄膜和半导体直接接触，存在界面反应和界面陷阱问题。解决方法：（1 1）采用氧化物半导体材料；）采用氧化物半导体材料；（2 2）在铁电薄膜门电极和半导体之间加一很