材料的铁电性能ppt课件.ppt

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1、一.铁电体1.线性介质与非线性介质1）线性介质：有外电场时，介质的极化强度与宏观电场E成正比，这类介质又叫线性介质。极化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。2）非线性介质：极化强度和外施电压的关系是非线性的介质，叫非线性介质。铁电体就是一种典型的非线性介质。在铁电体中存在的极化机构—自发极化。2.产生铁电性的原因—自发极化1）自发极化：自发极化的极化状态并非由外电场所造成，而是由晶体的内部结构特点造成的，晶体中每一个晶胞里存在固有电耦极矩，这类晶体通常称为极性晶体。12)自发极化强度铁电晶体晶胞中的电偶极矩是电介质

2、在转变为铁电体时自发出现的，虽有若干种可能取向，但其数值为一定。这个数值除以晶胞的体积所得到的商称为自发极化强度PS。3)铁电体：铁电体是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。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；也可以相间反向排列而成为反铁电性。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。只有某些特殊的晶体结构，在自发极化改变方向时，晶体构造不发生大的畸变，才能产生以上的反向转动。铁电体就具有这些特殊的晶体结构。铁电体晶体中并不含有铁。3.铁电晶

3、体的种类1）有序-无序铁电体其自发极化同个别离子的有序化相联系。典型的有序-无序型铁电体是含有氢键的晶体。这类晶体中质子的有序运动与铁电性相联系，例如KH2PO4就是如此。2）位移型铁电体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。BaTiO4＞120℃，立方结构，晶体无铁电性；BaTiO4＜120℃，晶体结构产生畸变，为四方结构，有铁电性，通常将这种温度称为居里温度或居里点。3BaTiO4相对介电常数与温度的关系铁电体在居里点处，由于自

4、发极化的突变引起介电常数的显著变化。5铁电电滞回线(Ps为自发极化强度，Ec为矫顽力）铁电体微观结构的上述特点决定了它有许多特殊的宏观性质，从而区别于普通电介质。4.电滞回线铁电体从高对称性转变为低对称性的过程中，伴随着发生自发极化或亚点阵极化。极化强度与外电场之间的关系构成电滞回线。电滞回线是铁电态的一个标志。二、铁电性所谓铁电性通常是指铁电体的微观结构性质。存在电滞回线、电畴结构、自发极化以及相应的晶胞形变（自发应变）、居里点、居里-外斯定律等是一般公认的铁电性可能表露出来的最重要的几种宏观性质。下面概括地介绍电介质的各种宏观铁电性质。(

5、一)铁电畴通常,一个铁电体并不是在一个方向上单一地产生自发极化。1.铁电畴：一个自然形成铁电单晶或铁电陶瓷晶粒中出现的许多微小区域；每个区域中所有晶胞的电矩取向相同；而相邻区域的电矩取向不同。这样的区域称为电畴。2.畴壁：两畴之间的界壁称为畴壁。晶体中的自发极化方向一般不相同，互相成90°或180°等角度。若两个电畴的自发极化方向互成90°，则其畴壁叫90°畴壁。此外，还有180°畴壁等。7180°畴壁较薄，一般为5-20埃，90°畴壁较厚一般为50-100埃。为了使体系的能量最低，各电畴的极化方向通常“首尾相连”。3.电畴结构与晶体结构的关

6、系BaTiO3的铁电相晶体结构有四方、斜方、菱形三种晶系，它们的自发极化方向分别沿[001]，[011]，[111]方向，除了90°和180°畴壁外，在斜方晶系中还有60°和120°畴壁，在菱形晶系中还有71°，109°畴壁。图6.31畴壁多晶体中每个小晶粒可包含多个电畴。由于晶体本身取向无规则，所以各电畴分布是混乱的，因而对外不显示极性。单晶体，各电畴间的取向成一定的角度，如90°，180°。4.电畴的形成及其运动的微观机理（1）电畴的形成以BaTiO3为例。离子位移理论，认为自发极化主要是由晶体中某些离子偏离了平衡位置造成的。由于离子偏离

7、了平衡位置，使得单位晶胞中出现了电矩。电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，与此同时晶体结构发生了畸变。8图6.29正方结构BaTiO4中钛、氧离子位移情况9自发极化的产生由钛、氧离子间的强耦合作用引起。设中间部位的钛离子因热运动的涨落在某一瞬间向氧离子O1有微小位移，则又使氧离子向钛离子靠拢，接着由于比较大的内电场力的传递，使自发极化首先沿Ti-O1离子线展开。图6.29正方结构BaTiO4中钛、氧离子位移情况10同时，由于电场力以及弹性力的传递，周围的O2离子也被向下挤。如此，自发极化向横向发展。横向发展是间接的，比

8、较弱，因此以上形成的畴核及其发展如针状。最后的电畴图案总是电场力与弹性力平衡的结果，整个体系保持能量最低。（2）电畴“转向”（电畴运动）铁电畴在外电场作用下，总是要