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電子信息材料 -03 壓電、熱釋電與鐵電材料,材料科學(xué)與工程學(xué)院：馬永昌,第三章 壓電、熱釋電與鐵電材料,各自的應(yīng)用領(lǐng)域,發(fā)展歷史,目錄,3.1 壓電物理基礎(chǔ)知識 3.2 石英晶體 3.3 熱釋電材料與器件 3.4 鈮酸鋰和鉭酸鋰晶體 3.5 鐵電陶瓷,壓電、熱釋電、鐵電晶體之間的關(guān)系,熱釋電,壓電,不導(dǎo)電（電介質(zhì)）,鐵電 自發(fā)極化 鐵磁 自發(fā)磁化,鐵電物理研究新進(jìn)展 New Progress in Ferroelectrics 王 憶 Reporter: Wang Yi 天文與應(yīng)用物理系 Tel:3601854 Office Room: 1218,細(xì)推物理須行樂 何用浮名絆此生 杜甫,1.History of Ferroelectrics (Ferromagnetics) 166（5）5年前后 法國La Rochelled地方人 Pierre de la Seignette最早試制成功羅息鹽（RS） （酒石酸甲鈉,NaKC4H4O64H2O） Sodium Potassium Tartrate Tetrahydrate 1920年 法國人Valasek發(fā)現(xiàn)羅息鹽的 特異的 非線性介電性能，導(dǎo)致了“鐵電性”概念的出現(xiàn). 1920年成為鐵電物理學(xué)研究開始的象征？ 目前，世界上存在200多種鐵電體,鐵電體的晶體結(jié)構(gòu)：ABO3 (ABF3) perovskite structure with A2+B4+ or A1+B5+ octahedra,鈣鈦礦(ABO3) 型鐵電體是為數(shù)最多的一類鐵電體,鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的一個結(jié)構(gòu)單元,Pierre was killed in a street accident in Paris on April 19, 1906,Pierre Curie was born in Paris, on May 15, 1859.,A Nobel Prize Pioneer at the Panthon The ashes of Marie Curie and her husband Pierre have now been laid to rest under the famous dome of the Panthon, in Paris, alongside the author Victor Hugo, the politician Jean Jaurs and the Resistance fighter Jean Moulin. Through her discovery of radium, Marie Curie paved the way for nuclear physics and cancer therapy. Born of Polish parents, she was a woman of science and courage, compassionate yet stubbornly determined. Her research work was to cost her her life.,Born in Warsaw on November 7, 1867,Marie died of leukaemia in July, 1934,自發(fā)極化的產(chǎn)生,順電相：Ba：（0，0，0） Ti：（12，12 ，12）， 3O： （12，12 ，0）；(12，0 ，12）； （0，12 ，12) 鐵電相：Ba：（0，0，0） Ti：（12，12 ，12+0.0135）， O：（12，12 ，-0.0250）， 2O： （12，0 ，12-0.0150）； （0，12 ，12-0.0150）,重要特征：鐵電體的電滯回線 (hysteresis loop ),OD: Pr remanent polarization OE: Ps spontaneous polarization OF: Ec coercive field E: electric field P: polarization amplitude,2. 研究內(nèi)容：bulk materials thin films 核心問題 自發(fā)極化 spontaneous polarization 自發(fā)極化是怎樣產(chǎn)生的？ 自發(fā)極化與晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)有什么關(guān)系？ 在各種外界條件作用下極化狀態(tài)怎樣變化？ 特殊的物理性質(zhì)和應(yīng)用,五個研究階段： 第一階段（19201939年） 兩種鐵電結(jié)構(gòu)材料，即羅息鹽和KH2PO4系列； 第二階段（19401958年） Landau鐵電唯象phenomenological理論開始建立 ，并趨于成熟； 第三階段（195970年代） 鐵電軟模(Soft-Mode)理論出現(xiàn)和基本完善； 第四階段（80年代至今） 主要研究各種非均勻系統(tǒng)。 第五個階段：96年開始鐵電薄膜和鐵電薄膜器件,Lev Davidovich Landau,Born: 22 Jan 1908 in Baku, Azerbaijan, Russian Empire Died: 1 April 1968 in Moscow, USSR,Several Important Concepts: 鐵電相變：phase transition of ferroelectrics 鐵電相與順電(paraelectricity)相之間的轉(zhuǎn)變 居里溫度（居里點） Tc 鐵電體(ferroelectric) 變成順電體(paraelectric) 實質(zhì) ：自發(fā)極化出現(xiàn)或消失,Domain and Domain Wall,Dielectric Constant,3.鐵電理論I：鐵電宏觀理論-朗道相變理論 將對稱破缺引入到相變理論，強調(diào)對稱性的重要性, 對稱性的存在與否是不容模棱兩可的,高對稱性相中 某一對稱元素突然消失,就對應(yīng)于相變的發(fā)生,導(dǎo)致 低對稱相的出現(xiàn)。 對稱性 有序化程度 序參量：描寫系統(tǒng)內(nèi)部有序化程度，表征相變過程 的基本參量.高對稱相中為零，低對稱相中 不為零.序參量和對稱破缺對溫度的依賴性,Landau理論的具體表達(dá)： 自由能作于為序參量的函數(shù)。 序參量：標(biāo)量、矢量、張量或復(fù)數(shù)。 在相變點附近，將自由能展開：,Ferroelectric Bi3.25La0.75Ti3O12,使自由能達(dá)到極小,使自由能達(dá)到極小,連續(xù)變化要求，,Some important quantities can be obtained by : 序參量(order parameter)： 熵(entropy)： 比熱(specific heat)：,特征函數(shù)： 彈性吉布斯自由能G 如果特征函數(shù)連續(xù)但一級導(dǎo)數(shù)不連續(xù)則相變是一級的，如果一級導(dǎo)數(shù)連續(xù)，但二級導(dǎo)數(shù)不連續(xù)，則相變是二級的。,將特征函數(shù)寫為D的各偶次冪之和： T0：Curie-Weiss Temperature,鐵電理論II: 鐵電相變的微觀理論 從原子或分子機制來說明鐵電體的鐵電性質(zhì) 根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)測定和理論分析，可將鐵電相變分為兩種類型： (1)位移型: displacive 由于原子的非諧振動，其平衡位置相對于順電相發(fā)生了偏移 (2)有序無序型: order-disorder 多個平衡位置 順電相原子或原子團在這些位置的分布是無序的，在鐵電相它們的分布有序化 (KH2PO4) BaTiO3 兼具兩者特征,軟模理論（位移型）： 自發(fā)極化的出現(xiàn)聯(lián)系于布里淵區(qū)中心某個光學(xué)橫模的“軟化” 靜態(tài)位移 集中注意對相變負(fù)責(zé)的晶胞中少數(shù)離子單勢阱中的非諧振子 軟模的機制： 短程排斥力和長程庫侖力平衡,軟模理論 （有序無序型）： 離子在雙勢阱中的運動 序參量：氫的有序化程度,二能級系統(tǒng)：對稱 反對稱 隧穿頻率 橫場Ising模型,Ising Model,Suppose we have a lattice, with Ld lattice sites and connections between them. (e.g. a square lattice). On each lattice site, is a single spin variable: si = 1. The energy is: where h is the parameter proportional to the magnetic field k is the coupling between nearest neighbors (i,j) k0 ferromagnetic k0 antiferromagnetic.,微觀理論的進(jìn)一步發(fā)展: 軟模理論： 位移型系統(tǒng) 晶格振動光學(xué)橫模 有序無序系統(tǒng) 贗自旋波 (粒子在雙勢阱中的運動) 鐵電相變的統(tǒng)一理論 振動電子理論,極化方式：不同晶格類型中局部電場與外加電場之間的關(guān)系有幾種不同的類型，但仍是爭論激烈至盡未解決的問題。 “莫索蒂災(zāi)難” （1）克勞修斯-莫索蒂-洛倫茲模型 （2）昂薩格模型 “空間電荷” space charge 電介質(zhì)材料及介電性能P107 束縛電荷 退極化場 靜電能 機械約束 應(yīng)變、應(yīng)力能 極化均勻程度與不穩(wěn)定 電疇domain 疇壁能domain wall 總自由能取極小值的條件決定了電疇的穩(wěn)定構(gòu)型,極化反轉(zhuǎn)的基本過程： 1.新疇成核 2.疇的縱向長大 3.疇的橫向擴張 4.疇的合并,介電響應(yīng)：Dielectric Response 電介質(zhì)的本質(zhì)特征：以極化的方式傳遞、存儲、或記錄電場的作用和影響 基本參量： 極化率（電容率 permittivity） 鐵電體電容率的特點：數(shù)值大、非線性效應(yīng)強、顯著的溫度和頻率依賴性 鐵電體結(jié)構(gòu) 缺陷 相變,鐵電體的幾個功能效應(yīng)： 壓電效應(yīng)：在某些晶體的特定方向施加壓力，相應(yīng)的表面上出現(xiàn)正或負(fù)的電荷，而且電荷密度與壓力大小成正比。 熱電效應(yīng)：極化隨溫度改變的現(xiàn)象 非線性光學(xué)效應(yīng)、電光效應(yīng)、光折變效應(yīng)等,5.鐵電物理學(xué)研究的新進(jìn)展 ： （1）第一性原理的計算 BaTiO3和PbTiO3都有鐵電性，晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)方面 都與它們相同的SrTiO3卻沒有鐵電性？ （2） 尺寸效應(yīng)的研究 自發(fā)極化、相變溫度和介電極化率等隨尺寸變化的 規(guī)律，鐵電體的鐵電臨界尺寸,(3) 鐵電液晶和鐵電聚合物的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究 手性分子組成的傾斜的層狀C相（SC*相）液晶具 有鐵電性。鐵電液晶在電光顯示和非線性光學(xué)方面 有很大吸引力。 (4)集成鐵電體的研究 ：鐵電薄膜與半導(dǎo)體的集成 鐵電隨機存取存儲器（FRAM） 鐵電場效應(yīng)晶體管（FFET） 鐵電動態(tài)隨機存取存儲器（FDRAM） 紅外探測與成像器件 超聲與聲表面波器件以及光電子器件等 鐵電薄膜傳感器 弛豫型鐵電傳感器,Pulsed Laser Deposition (PLD),Problems: 1)Fatigue,2) Imprint Effect,Voltage shift phenomena,oxygen annealed (10 Torr),vacuum annealed (10-6) Torr,3)The polarization distribution around periodic misfit dislocations (a) 15-nm- (b) 40-nm-thicks (001) PbTiO3 film on (001) LaAlO3 substrate,Atomic-Scale Structure of Ferroelectric Thin Films,1.Materials: SrBi2Ta2O9 (SBT)Thin Films with (001) orientation 2.Substrates: Pt/TiO2/SiO2/Si (100) 3.Growing Method : Pulsed Laser Deposition (PLD),4)Compositionally Graded Ferroelectrics (Pb,La)TiO3 thin films on Pt/Ti/SiO2/Si substrates,Simultaneous Ferroelectricity,Ferromagnetism,5.New material with new propertity -Ferroelectro-magnetic Materials,Examining Devices,1. Transverse Electron Microscopy (TEM) 2. High-Resolution Transmission Electron Microscopy (HRTEM) 3. Dielectric Response (frequency,temperature) 4. Scanning Electron Microscopy (SEM) 5. Atomic Force Microscopy (AFM) 6. XRD (X-Ray Diffraction),Piezoelectric properties and poling effect of Pb(Zr, Ti)O3 thick films,6.Possible Ferroelectric Chips -a “disruptive“ technology,1)Volatile memory chips: lose the data they store when the power is turned off. Most common types of volatile memory are DRAM and SRAM. 2)Non-volatile memory chips: retain the data they store after the power is turned off. Most common types of volatile memory are flash and EEPROM.,3)DRAM (dynamic random access memory): high-density chips used in personal computers to store operating system and applications software. Store data in the form of electric charge on capacitors, which needs to be refreshed thousands of times a second (hence, “dynamic“). 4)SRAM (static random access memory): fast, relatively low-density memory used to store instructions for microprocessors or as a “scratchpad“ in applications such as mobile phones. Needs battery back-up to retain contents.,5).EEPROM (electrically erasable programmable read-only memory): type of chip used for example in conventional smartcards. Needs a high voltage to program and erase, hence not suitable for portable, battery powered applications. 6).Flash: high-density memory used in particular to store bulk data such as digital photographs and mobile phone system software. 7).System-on-chip: sliver of silicon on which are integrated microprocessor, memory and input-output circuits. Increasingly used in consumer electronics to lower cost, reduce power consumption and increase flexibility.,Thanks for your attention!,Nothing is Impossible!,（1）晶體形變（壓力作用下的）可以 產(chǎn)生電場（電荷極化）壓電效應(yīng)； （2）電場也可以使晶體發(fā)生形變 逆壓電效應(yīng),電致伸縮效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)的區(qū)別： （1）壓電晶體在外電場作用下，由于逆壓電效應(yīng)而發(fā)生的形變；事實上，任何介質(zhì)在外電場誘導(dǎo)極化的作用下，都會引起介質(zhì)形變，但是這并非是逆壓電效應(yīng)。,電致伸縮效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)的共同點是： 介質(zhì)在外電場的作用下發(fā)生形變。,電致伸縮效應(yīng) vs 逆壓電效應(yīng),三元系壓電陶瓷,電致伸縮效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)的