（1）具有电滞回线 自发极化仅仅是晶体具有铁电性的必要条件，铁 电体的重要特征之一是具有 电滞回线。 （2）具有结构相变温度，即居里点 居里点：顺点—铁电相变温度。 晶体存在多个铁电相时，从一个铁电相到另一个 铁电相的温度称为相变温度或过渡温度。
（3）具有临界特性 晶体在相变点附近所发生的各种性能反常变化称 为临界现象。
(a)
(b)
(c)
0.1m
0.1m
1.0m
多晶LiTaO3晶粒内箭尾型90电畴结构与曲流状180电畴结构
(a)
(b)
0.1m
0.2m
多晶LiTaO3晶粒内薄片状和箭尾型90电畴结构
(a)
(b)
0.4m
0.2m
多晶LiTaO3晶粒内90尖劈状畴与180曲流状畴
(a)
(b)
5. 电畴运动
在电场或机械应力场作用下，铁电材料中电畴的取向能 够发生改变，电畴取向改变 180 的称为 180 翻转，改变 90的称为90翻转。 一般认为电场既能引起 180翻转，也能引起90翻转，而 应力场只能引起 90翻转，也就是说180翻转与应力场无 关。 电畴翻转过程实际上也是新畴的成核和长大过程，主要经 历以下四个阶段： （1）新畴成核 （2）畴的纵向长大 成核 长大 （3）畴的横向扩张 （4）畴的合并
介 质
铁电体
一、铁电体 1. 自发极化
自发极化是铁电体的本质特征。在某温度范围内，当不 存在外加电场时，原晶胞中的正负电荷中心不相重合， 这样每一个晶胞具有一定的固有偶极矩，这种极化形式 就是自发极化。 产生原因：
在某些晶体中, E ＝ 0 P，
如: 在钙钛矿结构中，自发极
化起因于[BO6]中中心离子的 位移 [BO6]氧八面体
（5）X射线形貌技术
（6）粉末沉积法 （7）紫外光电发射 （8）热电技术
采用电镜技术观察时 ，90畴经常呈现箭尾形（herringbone）、板条状 （ banded ） 、 层 状 （ lamellar ） 、 尖 劈 状 （ wedge-shaped ） 或 匕 首 状 （ dagger-shaped）的形貌，而 180 畴为不规则的水痕状（ water-mark） 或曲流状（dagger-shaped）。
本质
晶体介质的极化
某些晶体在一定方向上施加机械应力发生形变，使介电 体内正负电荷中心相对位移而极化，表面产生数量相等、 符号相反的束缚电荷，束缚电荷密度与作用应力成正比 ──正压电效应。 正压电效应：
电荷与应力成比例，用介质电位移D和应力X表达如下：
D dX
式中D的单位为C/m2，X的单位为N/m2，d称为压电常数(C/N)。
(a)
(b)
(c)
(d)
180畴翻转示意图 (a)成核，(b)和(c)纵向长大，(d) 横向长大
新畴的成核与畴壁的运动与晶体的各种性质，如应力分 布、空间电荷、缺陷等有很大关系，在缺陷处容易形成 新畴。
BaTiO3 晶体的新畴
成核速率与外加电 场有关，即
n exp(a / E )
新畴向前生长的速 度v近似为 : v = (E-E0)
按极化反转时原子位移的维数分类： 一维、二维、三维
常见的铁电材料
有序-无序 型铁电体 自发极化同个别离子的有序化相联系
含有氢键：KH2PO4
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
钙钛矿结构：BaTiO3
铁钛矿结构
二、BaTiO3自发极化的微观机理
1. BaTiO3的晶体结构
三、铁电畴 1. 概念
铁电材料中的电畴类似于磁性材料中的磁畴，是由许多 晶胞组成的具有相同自发极化方向的小区域。
铁电陶瓷中电畴结构示意图
2. 畴壁
（1）概念：两铁电畴之间的界壁称为畴壁
两电畴“首尾相连”
使体系的能量最低
畴壁示意图
（2）类型： 90°畴壁 两电畴的自发极化方向互成90°
° 较厚：50-100A
居里温 度以上
以中央四个O2-为参考，各离子的位移情况 自发极化包括两部分：1. 直接由于离子位移（39%）
2. 由于电子云的形变
钛铁矿结构
LiNbO3、LiTaO3
O
Ta
Li
(a)
(b)
(a)LiTaO3的六角晶胞，氧未画出
(b)其在c平面上的投影
c轴
(a)
(b)
LiTaO3晶体结构示意图，水平线代表氧平面 LiNbO3和LiTaO3晶体结构是
6. 电滞回线分析
O点 ： 无电场 晶体总电矩为0
OA 段 ：
施加电场
沿电场方向电 畴扩展、变大， 与电场反平行 方向电畴变小 电畴方向趋 于 电场方向
极化强度随外加 电场增加而增加
C 附近 ：
电场继 续增大
极化强度饱和 外推至E =0时， 得到自发极化 强度Ps
电场继 续增大
P与E成线 性关系
电场 降低
100-120KV/cm for bulk and 500-800kV/cm for thin films

非线性电学性能 (hysteresis loop)
（4）应用

高介电容器材料－利用高介电常数特性
MLCC, BaTiO3 铁电薄膜存储器－利用极化反转特性 铁电薄膜：PZT, SrBi2Ta2O9 热电探测器－利用热释电效应, PT, Sr0.5Ba0.5Nb2O6陶瓷
(a)
(b)
A B C D F
0.1m (c) (d)
E
0.2m
A A ’ C D A 0.2m 0.2m
B
LiTaO3颗粒内裂纹扩展引起电畴翻转的TEM照片
电畴运动
电场/应力--极化反转 极化(poling)过程:电场 诱导自发极化定向排
列--压电陶瓷的应用基
础 电场诱导极化反转--铁 电存储/电光应用
按极化轴数目分类：
单轴铁电体（RS、KDP、LN）和多轴铁电体（BT） 按原型相有无对称中心分类： 压电性铁电体（KDP、RS）和非压电性铁电体（BT） 按铁电相变时原子运动特点分类： 有序－无序型相变的（RS）和位移型相变的（BT、PT、LN） 按居里－外斯常数C的大小分类：
I类（105k）、II类（103k） 、III类（10k）
离子位移理论
正方结构BaTiO3中， Ti4+ 、O2-离子的位移情况 两 个 O2- 离 子 间 的 空 隙 大于 Ti4+ 离子的直径， 其在氧八面体内有位移 的余地，温度较高时 （大于120°C），离子 热振动能较大，因此 Ti4+ 离 子 接 近 周 围 6 个 O2- 离 子 的 几 率 相 等 ， 晶胞内不会产生电矩， 自发极化为0。 温度降低（小于 120°C）， Ti4+离子 热振动能降低，热振 动能特别低的 Ti4+ 不 足以克服 Ti4+ 和 O2- 离 子间的电场作用，就 有 可 能 向 某 一 个 O2离子靠近，发生自发 位 移 ， 使 这 个 O2- 离 子发生强烈的电子位 移极化。 晶体沿着这个 方向延长，晶 胞发生畸变， 晶体从立方结 构转变为四方 结构，晶胞中 出现了电矩， 即发生了自发 极化。
180°畴壁 两电畴的自发极化方向互成180°
° 较薄：5-20A
电畴结构
电畴壁结构
电畴壁两侧极化矢 量不连续
磁畴壁(Bloch壁)中磁
化矢量连续变化
复杂的电畴结构
BaTiO3中的电畴结构
弛豫铁电单晶中的电畴结构
3. 观察方法
（1）电子显微技术 扫描电镜技术（SEM） 透射电镜技术（TEM） （2）光学技术 （3）化学腐蚀 （4）液晶法 分辨率高 可直观观察电场下电 畴的变化
-----铁电体的最重要判据 -----铁电体具有许多独特性质的主要原因
热释电体 (Pyroelectrics)：具有自发极化的晶体--极性晶体 铁电体是热释电体的一个亚族
铁电态下，晶体的极化与电场的关系：电滞回线，铁电态 的一个标志。
Ps－饱和极化强度
Pr－剩余极化强度（remanent polarization）
Ec－矫顽场强（corcive field）
~2KV/cm －~120KV/cm 按照Ec大小可将铁电体分为：
软铁电体－小Ec
硬铁电体－大Ec

电滞回线是铁电体的重要物理特征之一，也是判别铁电性的 一个重要判据。
3. 铁电体的分类
结晶化学分类法：
软铁电体
硬铁电体
含氢键的晶体（KDP、RS）和双氧化物晶体（BT、PT、LN）


电光器件－利用电光效应，透明PLZT陶瓷（PLZT 9/65/35)
压电器件－利用压电和电致伸缩效应，PZT, PMN-PT

§6.2 压电性能
Piezoelectricity
一、压电效应 二、压电振子及其参数 三、压电陶瓷的预极化
四、压电材料及其应用
一、压电效应 1. 压电效应
1880年由居里兄弟(J. Curie and P. Curie)发现的。 晶体的压电效应是应力和应变等机械量与电场强度和 电位移（或极化强度）等电学量之间的耦合效应。
第六章
铁电性能和压电性能
§6.1 铁电性能
§6.2 压电性能
§6.3 介电性能
§6.1 铁电性能
一、铁电体 二、钛酸钡自发极化的微观机理 三、铁电畴
四、铁电体的性能及其应用
线性介质 介质的各种极化机构，所讲极化都是介质在外加 电场中的性质。没有外加电场时，介质的极化强 度等于零；有外加电场时，介质的极化强度与外 加电场E 成正比。 非线性介质 介质的极化强度与外加电场的关系是非线性的。
E6 C6 C1 A C2 C3 C4 C5 C7 F D3 D2 D1 B E5 E4