《铁电性基础》PPT课件.ppt

1、,1,铁电性基础Basics of Ferroelectrics,2,什么是铁电体 铁电体主要特征 开关特性，Sawyer-Tower 电路 典型的铁电材料的主要物理性质 铁电材料的分类 反铁电体,3,1 极化 polarization,在电场作用下，电介质中的束缚电荷发生位移或者极性按电场方向转动的现象，称为电介质的极化。,2 自发极化 spontaneous polarization,在没有外电场作用时，晶体中由于电偶极子的有序排列而产生的极化，称为自发极化。,在垂直于极化轴的表面上，单位面积的自发极化电荷量称为自发极化强度。,单位面积的极化电荷量称为极化强度，用P表示，单位为C/m2。,

2、4,具有自发极化（Ps） Spontaneous Polarization 自发极化强度能在外加电场下反向 Switchable Ps,铁电体(ferroelectrics),5,主 要 特 征,电滞回线 Hysteresis loop 居里温度 Curie temperature c 介电反常 Dielectric anomalous 居里-外斯定律 Curie-Weiss law,6,电滞回线,自发极化Ps 剩余极化Pr 矫顽电场Ec,变化过程：,ABCBDE FGHC,“0”,“1”,7,在强电场作用下，使多畴铁电体变为单畴铁电体或使单畴铁电体的自发极化反向的动力学过程称为畴的反转。极化

3、强度反向是电畴反转的结果，所以电滞回线表明铁电体中存在电畴。 电畴就是铁电体中自发极化方向一致的小区域，电畴与电畴之间的边界称为畴壁。 铁电晶体通常多电畴体，每个电畴中的自发极化具有相同的方向，不同电畴中自发极化强度的取向间存在着简单的关系。,8,(a) 180畴,(b) 90畴,四方BaTiO3晶体中的电畴示意图,180畴壁厚度约520 ，相当于15个晶胞厚度; 90畴壁的厚度稍大，约50100 ，相当于1020个晶胞厚度。,9,Sawyer-Tower 电路,P UcC0/A,E Ux/d,U = Umsinwt,10,居里温度（Tc）,高于Tc时，晶体不具有铁电性； 低于Tc时，晶体呈现

4、出铁电性。 如果晶体存在两个或多个铁电相时，只有顺电-铁电相变温度才称为居里温度；晶体从一个铁电相到另一个铁电相的转变温度称为相变温度或过渡温度。 通常认为晶体的铁电结构是由其顺电结构经过微小畸变而得，所以铁电相的晶格对称性总是低于顺电相的对称性。,居里温度：晶体顺电相-铁电相的临界转变温度Tc,11,介电反常：临界特征,因为铁电体的介电性质是非线性的，介电常数随外加电场的大小而变，所以一般用电滞回线中在原点附近的斜率来代表铁电体的介电常数。大多数铁电体的介电常数在居里点附近具有很大的数值，其数量级可达104105，此即铁电体在临界温度的“介电反常”。,介电常数：表征材料极化并储存电荷能力的物

5、理量，用表示，无量纲。,12,居里-外斯定律Curie-Weiss law,式中：C为居里-外斯常数；T为绝对温度；T0为居里温度，或称居里-外斯温度。,13,两种典型铁电体的性质,BaTiO3，钛酸钡 KH2PO4 (KDP)，磷酸二氢钾,14,BaTiO3的四种晶型原胞,Pm3m,P4mm,Amm2,R3m,四方相、斜方相和三角相为铁电相，立方相为顺电相。,15,立方BaTiO3 的自发极化与温度的关系,011,111,001,16,BaTiO3单晶的介电-温度特性,17,在居里温度以上， BaTiO3的介电常数随温度的变化遵从居里-外斯定律：,其中：AT为居里外斯常数；Tc为居里温度（1

6、20）,上式化为：,18,BaTiO3晶体的自发形变与温度的关系,a,c,19,KDP晶体的自发极化强度Ps与温度的关系,Ps,Ps4.7 C/cm2 at 100 K,20,KDP晶体的介电常数与温度的关系,a,c,c,T123,3250,21,KDP晶体的定压比热与温度的关系,22,铁电晶体的分类,极化轴的数目 对称中心 化学成分和结构 居里常数大小 相变机制,23,单轴铁电体，多轴铁电体,单轴铁电体:只能沿一个晶轴方向极化的铁电体。,如罗息盐、酒石酸盐、磷酸二氢钾型铁电体、硫酸铵及氟铍酸铵等。,多轴铁电体:可沿几个晶轴方向极化的铁电体。,如钛酸钡、铌酸钾、钾铵铝矾等。,24,有无对称中心

7、,一类铁电体其顺电相的晶体结构不具有对称中心，因而有压电效应。 如罗息盐、钽铌酸锂、KDP族晶体。 一类铁电体其顺电相的晶体结构具有对称中心，因而无压电效应。 如钛酸钡、铌酸钾以及它们的同类型晶体。,25,化学成分和结构,一类是含有氢键的晶体。 如KDP族、TGS、罗息盐等。这类晶体的特点是可溶于水、力学性质软、居里温度低、溶解温度低，常称“软铁电体” 。,一类是双氧化物晶体。 如BaTiO3、LiNbO3等晶体。它们的特点是不溶于水、力学性质硬、居里温度高、溶解温度高，常称为“硬铁电体” 。,26,居里-外斯常数C,第一类铁电体为C值大约在105 k数量级。 这类铁电体的微观相变机制属于位移

8、型，主要包括BaTiO3等氧化物型铁电体。,第二类铁电体为C值大约在103 k数量级。 这类铁电体的微观相变机制属于有序-无序型，主要包括KDP、TGS、罗息盐和NaNO2等。,第三类铁电体为C值大约在10 k数量级。 典型晶体是(NH4)2Cd2(SO4)3。,27,铁电体按居里-外斯常数分类表,C/Tc,28,铁电弛豫体 ferroelectric relaxor,相变不是发生于一个温度点，而是发生于一个温度区间，因而电容率特性不显示尖锐的峰，而呈现出相当宽的平缓的峰 电容率呈现极大值的温度随测量频率的升高而升高 电容率虚部呈现峰值的温度低于实部呈现峰值的温度，而且测量频率越高，峰值差别越

9、大,29,电容率与温度的关系不符合居里-外斯定律，而可表示为类居里-外斯定律 即使顺电相具有对称中心，在相当高的温度以上仍可观测到压电性和二次谐波效应 有场致相变，在一定的电场强度下会出现铁电相 有很大的电致伸缩系数，而且无明显滞后效应,30,典型材料： Pb(Mg1/3Nb2/3)O3，铌镁酸铅 Pb(Zn1/3Nb2/3)O3，铌锌酸铅，B-位复合钙钛矿结构 (Na1/2Bi1/2)TiO3，钛酸铋钠， A-位复合钙 钛矿结构 其它材料：SrxBa1xNb2O6 (SBN), CaxBa1xNb2O6 (CBN), 钨青铜结构(tungsten bronze),31,Temperature

10、 dependence of dielectric constant r for CBN-28 crystal,320500 , diffuse phase transition, ferro-paraelectric transition.,uniaxial relaxor,Macro-microdomain switching,32,量子顺电体 Quantum Paraelectrics,先兆性铁电体 Incipient Ferroelectrics 代表性材料：SrTiO3 其它有：CaTiO3, KTaO3 主要特点：介电常数随温度升高而减小，在 低温区出现一个平台，整个温度区间没有铁

11、 电性。 有出现铁电性的先兆；可能是量子涨落造成 低温区不出现铁电性。,33,铁电聚合物 ferroelectric polymers,聚偏氟乙烯，PVDF，PVF2，分子式： -(CH2CF2)n- 柔软，经济；相拉伸后 相，铁电性压电性 弱 与三氟乙烯共聚-(CHCF3)n-，PVDF-TrFE，无需拉伸具有压电铁电性 高能电子辐照，电致伸缩性能明显提高,34,定义：晶体结构与同型铁电体相近，但相邻离子沿反平行方向产生自发极化，净自发极化强度为零，不存在类似于铁电中的电滞回线。,反铁电体的例子： 磷酸二氢铵(NH4H2PO4)，锆酸铅(PbZrO3),反铁电体 Antiferroelect

12、rics,35,相变温度以下，介电常数很小，一般数量级 为10102；相变温度时，介电常数出现峰 值，一般数量级为几千；相变温度以上，介 电常数与温度的关系遵从居里-外斯定律。,典型特征,温度升高时，发生反铁电体相顺电相的转变。,晶体结构是由两种子晶格交错而成的，而子晶 格之间沿相反方向极化。,36,PbZrO3反铁电结构示意图,37,反铁电体PbZrO3的介电常数与温度的关系,38,反铁电体PbZrO3的电滞回线及临界电场与温度的关系,39,铁性体 ferroics,铁磁体：铁磁、反铁磁、亚铁磁、抗铁磁 铁电体：铁电、反铁电 铁弹体：铁弹、反铁弹,铁性体：具有两个或多个取向态或畴态，在某种或某些外力驱动下，各个取向态可以相互转换。,40,summary,Ferroelectrics:spontaneous polarization, and switchable under external field Features:hysteresis loop, Curie temperature, critica