第六章鐵電性能和壓電性能材料物理

第六章鐵電性能和壓電性能

§6.1鐵電性能

§6.2壓電性能§6.1鐵電性能一、鐵電體二、鈦酸鋇自發(fā)極化的微觀機理三、鐵電疇四、鐵電體的性能及其應用介質的各種極化機構，所講極化都是介質在外加電場中的性質。沒有外加電場時，介質的極化強度等于零；有外加電場時，介質的極化強度與外加電場E成正比。介質線性介質非線性介質介質的極化強度與外加電場的關系是非線性的。鐵電體1.自發(fā)極化自發(fā)極化是鐵電體的本質特征。在某溫度范圍內，當不存在外加電場時，原晶胞中的正負電荷中心不相重合，這樣每一個原晶胞具有一定的固有偶極矩，這種極化形式就是自發(fā)極化。一、鐵電體產生原因：在某些晶體中,E＝0P，如:在鈣鈦礦結構中，自發(fā)極化起因于[BO6]中中心離子的位移[BO6]氧八面體鐵電體(Ferroelectrics):

Ps（必要條件）

EPs重行定向

-----鐵電體的最重要判據-----鐵電體具有許多獨特性質的主要原因鐵電體是在一定溫度范圍內含有能自發(fā)極化（必要條件），并且極化方向可隨外加電場做可逆轉動的晶體。鐵電體一定是極性晶體，但自發(fā)極化轉動的晶體僅發(fā)生在某些特殊結構晶體當中，在自發(fā)極化轉向時，結構不發(fā)生大的畸變。2.鐵電體的概念熱釋電體(Pyroelectrics)：具有自發(fā)極化的晶體--極性晶體鐵電體是熱釋電體的一個亞族鐵電態(tài)下，晶體的極化與電場的關系：電滯回線，鐵電態(tài)的一個標志。電滯回線是鐵電體的重要物理特征之一，也是判別鐵電性的一個重要判據。Ps－飽和極化強度Pr－剩余極化強度（remanentpolarization）Ec－矯頑場強（corcivefield）

~2KV/cm－~120KV/cm按照Ec大小可將鐵電體分為：軟鐵電體－小Ec

硬鐵電體－大Ec3.鐵電體的分類結晶化學分類法：含氫鍵的晶體（KDP、RS）和雙氧化物晶體（BT、PT、LN）按極化軸數目分類：單軸鐵電體（RS、KDP、LN）和多軸鐵電體（BT）按原型相有無對稱中心分類：壓電性鐵電體（KDP、RS）和非壓電性鐵電體（BT）按鐵電相變時原子運動特點分類：有序－無序型相變的（RS）和位移型相變的（BT、PT、LN）按居里－外斯常數C的大小分類：

I類（105k）、II類（103k）、III類（10k）按極化反轉時原子位移的維數分類：一維、二維、三維軟鐵電體硬鐵電體常見的鐵電材料有序-無序型鐵電體位移型鐵電體自發(fā)極化同個別離子的有序化相聯系自發(fā)極化同一類離子的亞點陣相對于另一類亞點陣的整體位移相聯系含有氫鍵：KH2PO4鈣鈦礦結構：BaTiO3鐵鈦礦結構1.BaTiO3的晶體結構有氧八面體骨架的ABO3晶格

二、BaTiO3自發(fā)極化的微觀機理BaTiO3的晶體結構鈣鈦礦結構2.BaTiO3的相變立方晶系四方晶系斜方晶系菱形結構Tc居里溫度5°C-80°C無自發(fā)極化自發(fā)極化沿c軸[001]方向自發(fā)極化沿[011]方向自發(fā)極化沿[111]方向鐵電態(tài)順電態(tài)120°C正方結構BaTiO3中，Ti4+

、O2-離子的位移情況離子位移理論

居里溫度以上兩個O2-離子間的空隙大于Ti4+離子的直徑，其在氧八面體內有位移的余地，溫度較高時（大于120°C），離子熱振動能較大，因此Ti4+離子接近周圍6個O2-離子的幾率相等，晶胞內不會產生電矩，自發(fā)極化為0。溫度降低（小于120°C），Ti4+離子熱振動能降低，熱振動能特別低的Ti4+不足以克服Ti4+和O2-離子間的電場作用，就有可能向某一個O2-離子靠近，發(fā)生自發(fā)位移，使這個O2-離子發(fā)生強烈的電子位移極化。晶體沿著這個方向延長，晶胞發(fā)生畸變，晶體從立方結構轉變?yōu)樗姆浇Y構，晶胞中出現了電矩，即發(fā)生了自發(fā)極化。3.BaTiO3自發(fā)極化的微觀機理以中央四個O2-為參考，各離子的位移情況自發(fā)極化包括兩部分：1.直接由于離子位移（39%）

2.由于電子云的形變OTaLi(a)(b)(a)LiTaO3的六角晶胞，氧未畫出及(b)其在c平面上的投影(a)HexagonalcrystallatticewithoutoxygenofLiTaO3and(b)itsprojectiononcplane鈦鐵礦結構LiNbO3、LiTaO3c軸(a)(b)LiTaO3晶體結構示意圖，水平線代表氧平面StructureschematicsofLiTaO3crystalwherethehorizontallinerepresentsoxygenplane(a)ParaelectricphasewhereLiisontheoxygenplaneandTainthemiddleoftwooxygenplanes(b)ferroelectricphasewhereLiandTadisplacealong+candthedipolarisalsoalong+c4.鐵電體的臨界現象----“介電反?！盉aTiO3相對介電常數與溫度的關系介電常數反映電疇在電場下轉向的難易程度在Tc下,電疇定向的活化能接近于零,微弱電場足以使其定向,故介電常數最大當溫度高于居里溫度時，介電常數隨溫度的變化關系遵從Curie－Weiss定律：＝C/(T-To)其中:--介電常數，C--居里常數，To--特征溫度一級相變：TC>T0(T0略小于TC)二級相變：TC＝T0鐵電相變一級相變二級相變在相變點上，PS突變到零；鐵電相與非鐵電相共存；相變伴隨著潛熱和熱滯現象。如BT等。在相變點上，PS連續(xù)地下降至零；相變沒有潛熱和熱滯現象。如KTP等。TTCPSTTCPS鐵電陶瓷中電疇結構示意圖三、鐵電疇鐵電材料中的電疇類似于磁性材料中的磁疇，是由許多晶胞組成的具有相同自發(fā)極化方向的小區(qū)域。1.概念2.疇壁

（1）概念：兩鐵電疇之間的界壁稱為疇壁兩電疇“首尾相連”使體系的能量最低疇壁示意圖（2）類型：90°疇壁180°疇壁兩電疇的自發(fā)極化方向互成90°較厚：50-100A兩電疇的自發(fā)極化方向互成180°較?。?-20A°°電疇結構電疇壁結構電疇壁兩側極化矢量不連續(xù)磁疇壁(Bloch壁)中磁化矢量連續(xù)變化復雜的電疇結構BaTiO3中的電疇結構弛豫鐵電單晶中的電疇結構

3.觀察方法

（1）電子顯微技術

（2）光學技術（3）化學腐蝕（4）液晶法（5）X射線形貌技術（6）粉末沉積法（7）紫外光電發(fā)射（8）熱電技術掃描電鏡技術（SEM）透射電鏡技術（TEM）

分辨率高可直觀觀察電場下電疇的變化

(a)0.1m(c)1.0m(b)0.1m多晶LiTaO3晶粒內箭尾型90電疇結構與曲流狀180電疇結構采用電鏡技術觀察時，90疇經常呈現箭尾形（herringbone）、板條狀（banded）、層狀（lamellar）、尖劈狀（wedge-shaped）或匕首狀（dagger-shaped）的形貌，而180疇為不規(guī)則的水痕狀（water-mark）或曲流狀（dagger-shaped）。

(a)(b)0.1m0.2m多晶LiTaO3晶粒內薄片狀和箭尾型90電疇結構(a)0.4