电滞回线(hysteresis curve)：铁电体在铁 电态下极化对电场关系的典型回线。
电畴：在铁电体中，固有电偶极矩在一定的子 区域内取向相同的这些区域就称为电畴或畴。
畴壁：畴的间界。
无外加电场时：电畴在晶体中分布杂乱无章，使整个晶体 表现为电中性，宏观上无极性。
电场
电场
方向
方向
(a)
(b)
V
介
S
质
Q Qo Q'
静态介电系数：
D C h ε：反映了极板间电介质性质
E S C： 极板电容
电偶极子：由大小相等、符号相反、彼此相距为l的 两点电荷(+q、-q)所组成的束缚系统，称为偶极子，
l
+q
-q
电偶极矩：表示微观上质点在外电场的极化情况。
ql
极化率：表示单位电场作用下的电偶极矩。
(2) BaTiO3的相变
立方
四方
正交
三角
三角
正交
四方
立方
BaTiO3的介电常数与温度的关系
(3) 自发极化产生的原因
Ti4+－O2-间距大（2.005A），故氧八面体间隙大，Ti4+ 离子能在氧八面体中振动。 T>120℃，Ti4+处在各方几率相同（稳定地偏向某一个氧 离子的几率为零），对称性高，顺电相。 T<120℃，Ti4+由于热涨落，偏离一方，形成偶极矩，按 氧八面体三维方向相互传递，耦合，形成自发极化的小 区域，即电畴。
OD：电场为零，剩余极化Pr OE：自发极化Ps OF：矫顽场Ec
铁电体的电滞回线
P总＝P感＋Ps
电滞回线的形成与电畴的反转有关
电畴的观测： ➢ 电子显微镜TEM ➢ 原子力显微镜AFM ➢ 液晶法 ➢ 化学腐蚀法 ➢ 粉末沉淀法 ➢ X射线形貌术 ➢ 光的双折射
90°畴
180°畴
纳米薄膜中的电畴的AFM照片
电介质的极化强度与施加电场呈正比： P= o （ r -1）Ee= o E ——直线性关系
自发极化： 无外电场作用时，晶 体的正负电荷中心不 重合而呈现电偶极矩
•• ••
° •
°
•• ••
•A
•B
°O
的现象
P
不依赖于外加电场，
且外加电场能使极化
E
反转——非线性关系
铁 电 体 (ferroelectric) ： 具 有 自 发 极 化 ， 且自发极化方向能随外场改变的晶体。它们 最显著的特征，或者说宏观的表现就是具有 电滞回线。
6.2 铁电材料
➢ 铁电性的基本概念 ➢ 铁电陶瓷 ➢ 铁电瓷的改性机理 ➢ 铁电瓷的老化与疲劳现象 ➢ 铁电陶瓷材料确定原则
重点掌握的几个概念：
自发极化 剩余极化 矫顽场 铁电体 电滞回线 电畴 铁电陶瓷
6.2.1 基本概念
电介质的极化后：
Q Q’
极板上的电荷密度：
电
作用在粒子上的有效电场，包括外加宏观 电 场，周围极化质点对其作用的微观电场。 a: 表征材料的极化能力，只与材料的性质有关。
极化强度：单位体积内的电偶极矩矢量总和称为 极化强度，用P表示。
P
V
表明电解质材料在电场作用下的极化程度
感应式极化 电子位移极化 离子位移极化
P E
四方BaTiO3中的180°与90°畴壁
在外电场的推动下，电畴会随外电场方向 转向运动。当外加电场足够强，电畴将尽 可能地统一到外电场一致的方向。
180°畴不产生应力（因自发极化反平行，晶 体的形变是同一维）。
90°畴使晶体内部出现应力。
5.2.2 陶瓷的铁电性与铁电陶瓷
二、BaTiO3的介电性能 (1) 介电常数ε与温度T的关系
介电体 压电体 热释电体
铁电体
6.2.2 陶瓷的铁电性与铁电陶瓷
➢一、 BaTiO3的结构与自发极化 ➢二、 BaTiO3的介电性能
一、 BaTiO3的结构与自发极化
(1) 结构 (2) BaTiO3的相变 (3) 自发极化产生的原因 (4) 电畴结构及其运动方式
(1) 结构
BaTiO3为钙钛矿结构，由Ba2+离子与O2-离 子一起立方堆积，Ti4+处于氧八面体体心。
正交 三角
四方
立方
BaTiO3单晶（单畴）的ε与T的关系 （按四方晶系的a轴和c轴测量）
在－80,0,120℃出现ε的峰值 a轴的ε比c轴大 Tc处ε最大，且与方向无关
陶瓷的ε介乎单晶的a轴和c轴的数值之间 ➢ 多晶：晶粒随机取向 ➢ 多畴：多种取向
转变点处峰值不如单晶尖锐 ➢ 结构：多相体系 ➢ 应力：导致Tc分散（居里区）
BaTiO3的自发极化起因在于钛离子的位移
P ×10-6(C/cm2) s
16 14 12 10
8 6 4 2 0
-200
T2
-150 -100
T1
-50
0
T(oC)
Tc
50 100 150
BaTiO3单晶的Ps与温度的关系
(4) 电畴结构及其运动方式
A2
B1
A3
A1
B2
A4
E＝0
E≠0
A：90°畴壁（6~10 nm） B：180°畴壁 （0.4 nm）
(a)
(b)
有外加电场
电畴：在铁电体中，固有电偶极矩在一定的子 区域内取向相同的这些区域就称为电畴或畴。
畴壁：畴的间界。
电介质的极化强度与施加电场呈正比： P= o eE
OA：电场弱，P与E呈线性关系
AB：P迅速增大，电畴反转
B ：极化饱和，单畴
BC：感应极化增加，总极化增大
CBD：电场减小，极化减小
Tc均为120℃
(2) 介电常数ε与电场的关系
• （2）ε与交变电场强度的关系：
铁电芯晶粒
壳－芯晶粒
顺电壳晶粒
陶瓷晶粒电畴的TEM照片
铁电体晶体中存在多个电畴 由能量最低原理，相邻电畴内的偶极矩排列成 90°或180°夹角，即电畴的排列方式分为180度 电畴（反平行）和90度电畴。
铁电陶瓷：在一定温度范围内具有自发极化， 且自发极化能为外电场所转向的陶瓷称为铁 电陶瓷。
由于其介电系数高达103~104，故又称为强介瓷。 其介电损耗偏大，tgδ约为10-2~10-3，适于制作小 体积，大容量的低频电容器。主要是以BaTiO3为 基本成分，具有钙钛矿结构的多种固溶体。
无外加电场
(a)
(b)
有外加电场
外电场作用时：沿电场方向极化畴长大，逆电场方向 的畴消失，其它方向分布的电畴转到电场方向，极化 强度随外加电场的增加而增加，一直到整个结晶体成 为一个单一的极化畴为止。如再继续增加电场只有电 子与离子的极化效应，和一般电介质一样。
电场
电场
方向
方向
(a)
(b)
无外加电场