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铁电材料及其应用
目录引言铁电薄膜的晶体结构铁电薄膜的电性能铁电薄膜的应用总结
什么是铁电材料?磁电铁电体铁磁体具有自发磁化的现象
压电材料和铁电材料压电材料压电材料:机械能与电能相互转换的功能材料。铁电材料:具有压电效应材料中,能自发极化的一类材料。热释电材料压电材料一般介电材料压电材料热释电材料铁电材料在晶体中,如果晶胞中正负电荷中心不重合,即每一个晶胞具有一定的固有偶极矩,由于晶体结构的周期性和重复性,晶胞的固有偶极矩便会沿同一方向排列整齐,使晶体处于高度极化状态。这种在无外电场作用下存在的极化现象称为自发极化
铁电材料的发展历史和现状罗息盐时期—发现铁电性KDP时期—热力学理论钙钛矿时期—软模理论铁电薄膜及其器件时期—小型化
时间事件人物1824在罗息盐中发现热释电性Brewster1921发现罗息盐具有铁电性Valasek1935Buscevonshire1951提出反铁电体概念1964研制出铁电半导体(PTC)器件1977研制出铁电薄膜1993铁电薄膜和硅技术结合
铁电薄膜的晶体结构及自发极化氧八面体排列???原胞
钛酸钡晶体及自发极化钛酸钡的氧八面体结构
立方晶相:a=b=c,α=γ=β=90°四方晶相:a=b≠c,α=γ=β=90°正交晶相:a≠b≠cα=γ=β=90°三角晶相:a=b=cα=γ=β≠90°
自发极化的微观机制极轴导致自发极化热运动引起的自发极化有序无序型极化
--+++---++--++++++--++++极化轴C-++--+极性轴导致的自发极化-+-+固有偶极子正电荷与负电荷层交替排列-+-+-+-+
氧八面体空腔体积大于钛离子体积,给钛离子位移的余地。由热运动导致的自发极化较高温度时,钛离子热振动能较大,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。?????????????°°
较低温度时,钛离子热振动能降低,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,有可能偏离平衡位置向某一个氧离子靠近,偶极矩间的相互作用使偏离平衡位置的离子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,使晶体顺着该方向延长,晶胞发生轻微畸变,由立方变为四方晶体。?????????????°°图B
铁电薄膜的电性能介电性压电性热释电性铁电性
介电性介电性的表示ε=_x001A_??_x001B_′_x001B_???_x001A_??_x001B_′′_x001B_实部:介电常数代表了电介质的极化程度,也就是对电荷的束缚能力,介电常数越大,对电荷的束缚能力越强。虚部:材料内部的各种转向极化跟不上外高频电场变化而引起的各种弛豫极化所致,代表着材料的损耗项,通常用损耗角正切tanδ表示。ε=_x001A_??_x001B_′_x001B_(1?jtanδ)
压电性压电效应:当晶体受到机械力的作用时,表面将产生束缚电荷,电荷密度的大小和所受到的机械力成线性关系,这种由机械力产生电效应的过程称之为压电效应。??
????压电介质机械能电能正压电效应逆压电效应压电效应及可逆性
(1)压电单晶—典型代表石英晶体压电效应的物理机制晶体内部正负离子的偶极矩在外力的作用下由于晶体的形变而被破坏,导致使晶体的电中性被破坏,从而使其在一些特定的方向上的晶体表面出现剩余电电荷而产生的。(a)(b)(c)(d)
逆压电效应和电致伸缩效应的区别电致伸缩效应:晶体在外界电场E的激励下产生形变S,S∝_x001A_??_x001B_??_x001B_这种效应称为电致伸缩效应。与逆压电效应的区别ES逆压电效应电致伸缩效应
热释电性热释电性:由于温度的变化,晶体出现结构上的电荷中心相对位移,使自发极化强度发生变化,从而在两端产生异号的束缚电荷,这种现象称之为热释电性压电体和热释电体的区别和联系区别因为温度变化引起晶体胀缩无方向性,因此由政府电荷中心位移产生的压电晶体并不产生热释电效应联系虽然温度变化引起晶体胀缩无方向性,但是由于自发极化偶极矩的存在使热释电晶体具有压电效应
铁电性电畴的概念畴:原子或离子有序排列的区域,畴与畴之间的边界叫做畴壁。
E
90°畴壁180°畴壁
自发极化剩余极化矫顽电场?????????CBODEFA
ABOCFDE??????CBODEFA
改进型的SawyerTower电路SawyerTower电路
因为Cx和C0是串联的
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