铁电性材料物理性能.ppt

* 第一页，共二十二页，2022年，8月28日 1）铁电体是非线性介质 即极化强度和外施电压的关系是非线性的。 一、铁电体 没有外加电场时，介质的极化强度等于零。有外电场时，介质的极化强度与宏观电场E成正比。 备注：线性介质 是一类特殊的电介质材料，在一定温度范围内含有能自发极化，并且发极化方向可随外电场作可逆转动的晶体。 1、铁电体的特点 * 第二页，共二十二页，2022年，8月28日 即其极化状态并非由外电场所引起，而是由晶体内部结构特点所引起，晶体中每个晶胞内存在固有电偶极矩。 2）铁电体是极性晶体 注意：铁电晶体一定是极性晶体，但并非所有的极性晶体都是铁电体 * 第三页，共二十二页，2022年，8月28日 Ba2+ Ti4+ O- 3）铁电体的极化是自发极化 第二类是有序—无序型，其自发极化同个别离子的有序化相联系； 典型的有序—无序型晶体是含有氢键的晶体，这类晶体中质子的有序化运动引起自发极化，例如KH2PO4晶体，该晶体具有铁电体的特征。 A.按相转变的自发极化机构铁电体分两类 ： 第一类是位移型，其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。 位移型铁电体的结构大多同钙钛矿结构及钛铁矿结构紧密相关。钛酸钡是典型的钙钛矿型的铁电体。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ° ° * 第四页，共二十二页，2022年，8月28日 铁电体 * 第五页，共二十二页，2022年，8月28日 例1：由位移引起的自发极化 自发极化主要是由晶体中某些离子偏离了平衡位置，使单位晶胞中出现了偶极矩，偶极矩之间的相互作用使偏离平衡位置的离子在新的位置上稳定下来，同时晶体结构发生了畸变。 钛酸钡的结构：钙钛矿型结构 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ° ° Ba2+ Ti4+ O- 其自发极化的出现主要是晶体中原子（离子）位置变化的结果。 B.铁电体的自发极化的机制 * 第六页，共二十二页，2022年，8月28日 极化前晶体结构： 等轴晶系（大于120oC） ： 晶胞常数：a=4.01A 氧离子的半径：1.32A 钛离子的半径： 0.64 钛离子处于氧八面体中， 两个氧离子间的空隙为：4.01－2× 1.32= 1.37 钛离子的直径：2× 0.64= 1.28 钛酸钡的结构：钙钛矿型结构 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ° ° 自发极化过程： 氧八面体空腔体积大于钛离子体积，给钛离子位移的余地。 较高温度时，热振动能比较大，钛离子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。 Ba2+ Ti4+ O- * 第七页，共二十二页，2022年，8月28日 温度降低到120℃，低于距离温度，钛离子平均热振动能降低，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，有可能向某一个氧离子靠近，在新平衡位置上固定下来，并使这一氧离子出现强烈极化，发生自发极化，使晶体顺着这个方向延长，晶胞发生轻微畸变，由立方变为四方晶体。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ° ° Ba2+ Ti4+ O- ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ° ° * 第八页，共二十二页，2022年，8月28日 - - + + + - - - + + - - + + + + + + - - + + + + 极化轴C - + + - - + 纤锌矿(ZnS)结构在（010）上投影 表示晶体极性链的两种方法 例2：具有极性轴或结构本身具有自发极化的结构 + - + - 固有偶极子 正电荷层与负电荷层交替排列 - + - + - + - + * 第九页，共二十二页，2022年，8月28日 4）铁电体具有铁电性 在一些电介质晶体中，晶胞的结构使正负电荷重心不重合而出现电偶极矩，产生不等于零的电极化强度，使晶体具有自发极化。 晶体的这种性质叫铁电性（ferroelectricity）。 当铁电体的晶胞自发极化而出现电矩时，相邻晶胞的电矩可以同向排列形成电畴，并出现铁电性； 相间反向排列而成为反铁电性。 与铁磁体的磁滞回线形状类似,所以人们把这类晶体称为铁电体(其实晶体中并不含有铁) * 第十页，共二十二页，2022年，8月28日 在自发极化出现前的非极性晶体称为顺电性晶体。 顺电性晶体与铁电性晶体的转变温度称为铁电居里点TC。 当TTC时，铁电相转变为顺电相，电滞回线消失，这时P与E一般有线性关系P=ε0χE，并且介电常数服从居里外斯定律 C为居里常数，θ为特征