第七章 铁电物理

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1、第七章铁电物理本章提要铁电体物理学研究的核心问题是自发极化。本章主要介绍有关铁电体物理学的一些基本概念；自发极化产生的机制；铁电相变与晶体的结构变化；极化状态在各种外界条件下的变化，即介电响应、压电、热释电、电致伸缩、光学效应等；最后适当介绍铁电物理效应的实验研究。7.1铁电物理的一般性质铁电体是指在某温度范围具有自发极化，而且极化强度可以随外电场反向而反向的晶体。同铁磁体具有磁滞回线一样，铁电体具有电磁滞回线热释电晶体是具有自发极化的晶体，但因受到表面电荷等的抵偿作用，其电矩不能显现出来。只有当温度改变，电矩发生变化（电矩有异于零的温度系数）不能被抵偿时

2、，才显现其固有的极化。热释晶体亦因此而得名。一般的，晶体的压电性质及自发极化性质都是由晶体的对称性决定的，可是对于铁电体，外电场能使自发极化反向的特征不能由晶体的结构来预期，只能通过电滞回线的测定（或介电系数的测定）来判断。电滞回线表示铁电晶体中存在电畴；对晶轴来说每个电畴中的极化强度有一定的方向。当温度高于某一临界温度Tc时，晶体的铁电性消失，而且晶格结构也发生转变，这一温度是铁电体的居里点由于铁电性的出现或消失，总伴随着晶格结构的改变，所以这是个相变过程。当晶体从非铁电相（称顺电相）向铁电相过渡时，晶体的许多物理性质皆成反常现象。对于第一级相变，伴随有

3、潜热发生，对于第二级相变，则出现比热的突变。铁电相中自发极化强度是和晶体的自发电致形变相关的，所以铁电相的晶格结构的对称性要比非铁电相低。如果晶体具有两个或多个铁电相时，表征顺电相与铁电相之间的一个相变温度才是居里点，而把铁电体发生相变时的温度统称为过渡温度或转变温度。由于极化的非线性，铁电体的介电系数不是常数，而是依赖于外加电场的。铁电体在过渡温度附近介电系数具有很大的值，数量级达到104~105当温度高于居里点时，介电系数随温度变化的关系遵守居里—外斯定律：式中为特性温度，它一般略低于居里点；c称为居里常数；而代表电子极化对介电常数的贡献，在过渡温度时

4、可以忽略。具有铁电的晶体可以分为两大类一类是以磷酸二氢钾为代表的，具有氢键，它们从顺电相到铁电相的过渡是无序到有序的相变另一类则以钛酸钡为代表的，从顺电相到铁电相的过渡，是由于其中两个子晶格发生相对位移铁电相是极化的有序状态，顺电相是极化的无序状态；顺电相所在的温度恒比铁电相所在的温度高反电体是铁电晶体的同素异形体，其晶体结构与铁电体有密切关系。当温度降低时，晶体有小量畸变。结构亦从较高的转向较低的对称性。和铁电体不同的是，在每个电畴中电极化取两个相反的方向（即两个相等的子晶格沿相反方向极化），因此并不具有净电矩。7.2铁电体的电畴与电滞回线一、铁电体的电

5、畴二、铁电体电滞回线1.自发极化2.热释电体与铁电体3.电畴结构1.铁电体的电滞回线2.铁电体的极化处理3.极化的非线性1.自发极化如果晶胞本身的正、负电荷中心不相重合，即晶胞具有极性，那么，由于晶体构造的周期性和重复性，晶胞的固有电矩便会沿着同一方向排列整齐，使晶体处在高度的极化状态下，由于这种极化状态晨外场为零时自发地建立起来的，因此称为自发极化自发极化所建立的电场吸引了晶体内部和外部空间的异号自由电荷，在试样的表面形成一个表面电荷层。结果自发极化建立的表面束缚电荷被外来的表面自由电荷所屏蔽，束缚电荷建立的电场被抵消。但是当温度发生变化时，由于离子键的

6、键长和键角发生变化，自发极化强度也将发生变化。这时被自发极化束缚在表面的自由电荷层就要发生相应的调整，例如释放出来，恢复自由，使得晶体呈现带电状态或在闭合电路中产生电流。这一现象就是热释电效应具有自发极化的晶体则称为热释电晶体热释电晶体总是具有压电效应的应力会改变离子间的距离和键角，使自发极化强度发生变化2.热释电体与铁电体自发极化强度矢量能在外电场的作用下沿着某几个特定的晶向重行定向的热释电体就是铁电体铁电体是热释电体的一亚族，从本质上来看铁电体总是具有压电性和热释电性自发极化能被外电场重行定向是铁电体最重要的判据，也是铁电体具有许多独特性质的主要原因自

7、发极化能被外电场重行定向是铁电体最重要的判据，也是铁电体具有许多独特性质的主要原因3.电畴结构晶体内部在退极化电场的作用下，就会分裂出一系列自发极化方向不同的小区域，使其各自所建立的退极化电场互相补偿，相到整个晶体对内、对外均不呈现电场为止。这些由自发极化方向相同的晶胞所组成的小区域便称为电畴，分隔相邻电畴的界面称为畴壁图7-1钛酸钡晶体中的电畴示意图（a）反平行的180°电畴；（b）相互垂直的90°电畴实验与理论分析表明，电畴壁很薄，只有几个晶胞厚度。钛酸钡晶体中的180°畴壁大约只有5-20Å，相当于10-20个晶胞厚度一般认为对畴壁能的主要贡献是来自

8、相邻电畴的静电相互作用和弹性应变能。铁电体的自发极化在外电场作用下