体 • 热释电效应: dPi = pi dT
(i = 1,2,3)
• pi ----热释电系数, 单位: C/m2.K
• 大多数晶体的Ps随温度
的增加而下降,热释点 系数为负
• 在热释电体中, 高度极化状态, Ps 很高, 外场难以改变Ps方向 • 少数, 在 E 作用下 Ps 可重新定向----铁电体
• 3 铁电体的电畴结构
• Ps 退极化场 体系能量 (静电能+应变能) • 体系能量 电畴/畴壁 (静电能+应变能) 畴壁能
• 自由能极小值 电畴结构
• 畴结构受晶体结构的制约, 如:四方BaTiO3铁电相中存在两
类铁电畴：180o电畴和90o电畴
• 形成180o畴可以降低退极化能，形成非180o畴可以降低应变能
3, 3m, 6, 6mm
• Ps 可用电滞回线仪,或通过热释 电流测得
• 一般, 铁电体, Ps = 0.1-100C/cm2
• BaTiO3 Ps ~ 25 C/cm2
ro+rTi = 1.96Å
O-Ti = 2.005Å
• 热释电体 (Pyroelectrics): 具有自
发极化的晶体--极性晶
• 离子位移极化,
1210-13s,
10-
微波频段，
I = a3
• 偶极子取向极化,
= 02/3KT • 空间电荷极化
• 自发极化：在某些极性晶体中, 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 • 极性点群: 1, 2, m, 2mm, 4, 4mm,
场有关，即
n/t ∞ e-/E
新畴向前生长的速度v近似 为: v = (E-E0)
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
P o la riz a tio n re ve rs ib le
2 铁电体的分类
• 按结晶学分类
(a) 氢键晶体，如 KDP, RS 结构特征：[PO4]，软铁电体 (b) 双氧化物晶体，如 BT, PT, 结构特点：[TiO6], 硬铁电体
• 按极性轴数目分类
(a) 单轴铁电体， 如 RS, KDP, LN, 自发极化强度平行或反平行于极化轴 (b) 多轴铁电体， 如 BT, Cd2Nb2O7
电畴结构
外电场作用下，180o畴的反 转不产生应变，而非180o畴 的反转则由于受到相邻畴的 约束而产生应变。
复杂的电畴结构
BaTiO3中的电畴结构
电畴壁结构
电畴壁两侧极化矢 量不连续
磁畴壁(Blபைடு நூலகம்ch壁)中磁
化矢量连续变化
电畴运动 成核与生长过程
BaTiO3 晶体的新畴 成核速率与外加电
第一章
铁电陶瓷材料及应用
Developmental History of Ferroelectrics
1940s 1950s Birth of ferroelectric ceramics (BaTiO3) PZT piezoelectric ceramics developed PTC effect in BaTiO3 ceramics 1960s Transparent electro-optic PLZT ceramics 1970s The engineered ferroelectric cpmposites 1980s PMN relaxor ceramics Ferroelectric films prepared by sol-gel techniques 1990s Strain-amplified actuators (Moonie devices, RAINBOW actuators) The integrated ferroelectric ilms on silicon Relaxor single-crystal materials Giant electrostrictive relaxor ferroelectric copolymers
Interrelationship of piezoelectric and subgroups on the basis of symmetry
32 S y m m e try Point Groups
21 Noncentrosymmetric
11 Centrosymmetric (non-piezoelectric)
• 铁电体 (Ferroelectrics) : Ps
E Ps 重行定向-----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 • 铁电体是热释电体的一个亚族 • 压电体 (Piezoelectrics) : 非对称中心
• 极性晶体一定不具对称中心
• Ferroelectrics < Pyroelectrics < Piezoelectrics < Dielectrics
Physical effect Applications
• High permittivity Capacitors (MLCs) • Polarization reversal Ferroelectric film memory • Pyroelectricity Pyroelectric sensors/detectors • Electrooptic effect Electrooptic devices • Piezoelectricity Piezoelectric/electrostrictive
§1.1 铁电体的基本物理特性
1 自发极化与铁电体
• 诱导极化：E≠0 P
基本介电关系
各向同性的线性电介质, P
= 0E, ---电介质的极化 率 D = 0E+P, 适用于各类电 介质 D = E, 适用于各向同性线 性电介质
电极化的微观机制
• 电子位移极化, 响应 时间10-1410-16s 见光频段, e a3 可
• 按铁电相变时原子的运动特点分类：
(a) 有序－无序型 (b) 位移型
• 按Curie-Weiss常数C的大小分类：
第一类铁电体，C ~105 K ,大多属位移型 第二类铁电体，C ~ 103 K, 多属有序－无序型 第三类铁电体，C ~ 10K, 或称非本征铁电体，其铁电相起因于压电性与弹性不 稳定性的耦合
20 P ie z o e le c tric P o la riz e d u n d e r s tre s s
10 P y ro e le c tric
S p o n ta n e o u s ly p o la riz e d
S u b g ro u p F e rro e le c tric S p o n ta n e o u s ly p o la riz e d
transducers
• PTC effect PTC thermistors
Typical ferroelectric ceramics
• • • • • • • • • BT Barium titanate PZT Lead zirconate titanate PLZT Lead lanthanum zirconate titanate PMN Lead magnesium niobate PT Lead titanate PZN Lead zinc niobate PZST Lead stannate zirconate titanate PZ Lead zirconate BST Barium strontium titanate