《铁电性基础》PPT课件

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1、wangcl@sdu.edu.cn1铁电性基础BasicsofFerroelectricswangcl@sdu.edu.cn2什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wangcl@sdu.edu.cn31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spontaneouspolarization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

2、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。wangcl@sdu.edu.cn4具有自发极化（Ps）SpontaneousPolarization自发极化强度能在外加电场下反向SwitchablePs铁电体(ferroelectrics)wangcl@sdu.edu.cn5主要特征电滞回线Hysteresisloop居里温度Curietemperaturec介电反常Dielectricanomalous居里-外斯定律Curie-Weisslawwangcl@sdu.edu.cn6电滞回线自发极化Ps剩余极化P

3、r矫顽电场EcAHGFEDCB变化过程：A→B→C→B→D→E→F→G→H→C“0”“1”wangcl@sdu.edu.cn7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。wangcl@sdu.edu.cn8(a)180畴(b)90畴四方BaTiO3晶体中的电畴示意

4、图180畴壁厚度约520Å，相当于15个晶胞厚度;90畴壁的厚度稍大，约50100Å，相当于1020个晶胞厚度。wangcl@sdu.edu.cn9Sawyer-Tower电路P＝Uc×C0/AUcUxE＝Ux/dU=Umsinwtwangcl@sdu.edu.cn10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

5、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Tcwangcl@sdu.edu.cn11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104105，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理量，用ε表示，无量纲。wangcl@sdu.edu.cn12居里-外斯定律Curie-Weisslaw式中：C为居里-外斯常数；T为绝对温度；T0为居里

6、温度，或称居里-外斯温度。wangcl@sdu.edu.cn13两种典型铁电体的性质BaTiO3，钛酸钡KH2PO4(KDP)，磷酸二氢钾wangcl@sdu.edu.cn14BaTiO3的四种晶型原胞Pm3mP4mmAmm2R3m四方相、斜方相和三角相为铁电相，立方相为顺电相。wangcl@sdu.edu.cn15立方BaTiO3的自发极化与温度的关系[011][111][001]wangcl@sdu.edu.cn16BaTiO3单晶的介电-温度特性wangcl@sdu.edu.cn17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

7、：其中：AT为居里—外斯常数；Tc为居里温度（120℃）上式化为：wangcl@sdu.edu.cn18BaTiO3晶体的自发形变与温度的关系acwangcl@sdu.edu.cn19KDP晶体的自发极化强度Ps与温度的关系PsPs＝4.7C/cm2at100Kwangcl@sdu.edu.cn20KDP晶体的介电常数与温度的关系acc＝T1233250wangcl@sdu.edu.cn21KDP晶体的定压比热与温度的关系wangcl@sdu.edu.cn22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wangcl@s

8、du.edu.cn23单轴铁电体，多轴铁电体单轴铁电体:只能沿一个