材料物理2010第4章11-1自发电极化与铁电性-110223.ppt

* * * * 铁电相变是典型的结构相变。序参量的出现和晶体对称性降低联系起来。 * * * * * * * * 授课内容： 真空中的静电场只是一种最简单、最理想的情况，实际上电场中常有导体或电介质等实物物质。电场也是一种物质，当它们同处一个空间时，就会产生相互作用、相互影响。 研究这种相互作用和相互影响的规律，不仅具有理论上的意义，在科技和生产中也有重要作用。 为加深理解，设置有讨论题，点击“讨论”即可进入，讨论完后，又可以返回该页面。 媒体使用情况： 学员反映： * * 授课内容： 真空中的静电场只是一种最简单、最理想的情况，实际上电场中常有导体或电介质等实物物质。电场也是一种物质，当它们同处一个空间时，就会产生相互作用、相互影响。 研究这种相互作用和相互影响的规律，不仅具有理论上的意义，在科技和生产中也有重要作用。 为加深理解，设置有讨论题，点击“讨论”即可进入，讨论完后，又可以返回该页面。 媒体使用情况： 学员反映： * 环境温度对电滞回线的影响：环境温度的变化对材料的晶体结构有影响，从而使内部自发极化发生改变，尤其是在相界处（晶型转变温度点）更为显著。例如，BaTiO３在居里温度附近，电滞回线逐渐闭合为一直线（铁电性消失）。 * * * * * * * * * * 存在一个居里温度Tc(常称居里点)，当TTc时，材料由铁电相转变为顺电相，极化时电滞回线特性消失，P与E一般呈现线性关系，并且介电常数随温度的变化服从居里-外斯定律： 式中C为居里-外斯常数，T0为居里-外斯温度。对连续相变，T0=TC；对一级相变，T0TC。 位移型铁电体： C较大，在105K量级 有序无序型铁电体： C较小，通常在103K量级。 图11-2 PbTiO3单晶沿C方向介电系数随温度的变化 铁电晶体电滞回线示意图 外电场下的极化过程-------电滞回线-铁电体的标志 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P与E表现为一电滞回线。 OA：感应极化和“弹性”的可逆的畴壁移动 AB：新畴成核与非可逆的畴壁移动 BC：P随E线性增加，感应极化 B点处：晶体已成为单畴，自发激化达到饱和 Pr：剩余极化， Ps： 自发极化 OF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极化为0的多畴晶体所需的外加电场强度。 2、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，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 1、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、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。 4、晶体结构对电滞回线的影响：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BaTiO３单晶和陶瓷电滞回线的差异。单晶体的电滞回线很接近于矩形，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。 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P－E呈双电滞回线。如锆酸铅（ＰbZrＯ３）反铁电体，在Ｅ较小时，无电滞回线，当Ｅ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。 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。 特点：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；成本比单晶低，适于大量生产。 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泛应用。 例如：PZT[Pb(Zr1-xTi)O3陶瓷、PLZT[Pb1-xLa2x/3)(Zr1-yTiy)O3]陶瓷、PMN[Pb(Mg2/3Nb1/3)O3]陶瓷及钛酸钡(BaTiO3)陶瓷等等。 基本原理是基于电滞回线的极化反转和剩余极化特性。 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