第六章铁电性能及压电性能_材料物理.pptVIP

* * 第六章 铁电性能和压电性能 §6.1 铁电性能 §6.2 压电性能 §6.1 铁电性能 一、铁电体 二、钛酸钡自发极化的微观机理 三、铁电畴 四、铁电体的性能及其应用 介质的各种极化机构，所讲极化都是介质在外加电场中的性质。没有外加电场时，介质的极化强度等于零；有外加电场时，介质的极化强度与外加电场E 成正比。 介质 线性介质 非线性介质 介质的极化强度与外加电场的关系是非线性的。 铁电体 1. 自发极化 自发极化是铁电体的本质特征。在某温度范围内，当不存在外加电场时，原晶胞中的正负电荷中心不相重合，这样每一个原晶胞具有一定的固有偶极矩，这种极化形式就是自发极化。 一、铁电体 产生原因： 在某些晶体中, E ＝ 0 ? P， 如: 在钙钛矿结构中，自发极化起因于[BO6]中中心离子的位移 [BO6]氧八面体 铁电体 (Ferroelectrics) : Ps（必要条件） E ? Ps 重行定向 -----铁电体的最重要判据 -----铁电体具有许多独特性质的主要原因 铁电体是在一定温度范围内含有能自发极化（必要条件） ，并且极化方向可随外加电场做可逆转动的晶体。 铁电体一定是极性晶体，但自发极化转动的晶体仅发生在某些特殊结构晶体当中，在自发极化转向时，结构不发生大的畸变。 2. 铁电体的概念 热释电体 (Pyroelectrics)：具有自发极化的晶体--极性晶体 铁电体是热释电体的一个亚族 铁电态下，晶体的极化与电场的关系：电滞回线，铁电态的一个标志。 电滞回线是铁电体的重要物理特征之一，也是判别铁电性的一个重要判据。 Ps－饱和极化强度 Pr－剩余极化强度（remanent polarization） Ec－矫顽场强（corcive field） ~2KV/cm －~120KV/cm 按照Ec大小可将铁电体分为： 软铁电体－小Ec 硬铁电体－大Ec 3. 铁电体的分类 结晶化学分类法： 含氢键的晶体（KDP、RS）和双氧化物晶体（BT、PT、LN） 按极化轴数目分类： 单轴铁电体（RS、KDP、LN）和多轴铁电体（BT） 按原型相有无对称中心分类： 压电性铁电体（KDP、RS）和非压电性铁电体（BT） 按铁电相变时原子运动特点分类： 有序－无序型相变的（RS）和位移型相变的（BT、PT、LN） 按居里－外斯常数C的大小分类： I类（105k）、II类（103k） 、III类（10k） 按极化反转时原子位移的维数分类： 一维、二维、三维 软铁电体 硬铁电体 常见的铁电材料 有序-无序型铁电体 位移型铁电体 自发极化同个别离子的有序化相联系 自发极化同一类离子的亚点阵相对于另一类亚点阵的整体位移相联系 含有氢键：KH2PO4 钙钛矿结构：BaTiO3 铁钛矿结构 1. BaTiO3的晶体结构 有氧八面体骨架的ABO3晶格 二、BaTiO3自发极化的微观机理 BaTiO3的晶体结构 钙钛矿结构 2. BaTiO3的相变 立方晶系 四方晶系 斜方晶系 菱形结构 Tc 居里温度 5°C -80°C 无自发极化 自发极化沿c轴[001]方向 自发极化沿 [011]方向 自发极化沿 [111]方向 铁电态 顺电态 120°C 正方结构BaTiO3中， Ti4+ 、O2-离子的位移情况 离子位移理论 居里温度以上 两个O2-离子间的空隙大于Ti4+离子的直径，其在氧八面体内有位移的余地，温度较高时（大于120°C），离子热振动能较大，因此Ti4+离子接近周围6个O2-离子的几率相等，晶胞内不会产生电矩，自发极化为0。 温度降低（小于120°C）， Ti4+离子热振动能降低，热振动能特别低的Ti4+不足以克服Ti4+和O2-离子间的电场作用，就有可能向某一个O2-离子靠近，发生自发位移，使这个O2-离子发生强烈的电子位移极化。 晶体沿着这个方向延长，晶胞发生畸变，晶体从立方结构转变为四方结构，晶胞中出现了电矩，即发生了自发极化。 3. BaTiO3自发极化的微观机理 以中央四个O2-为参考，各离子的位移情况 自发极化包括两部分：1. 直接由于离子位移（39%） 2. 由于电子云的形变 O Ta Li (a) (b) (a)LiTaO3的六角晶胞，氧未画出及(b)其在c平面上的投影 (a) Hexagonal crys