鐵電與反鐵電的比較00

鐵電體和反鐵電體的基本性質(zhì)鐵電體的研究進(jìn)展反鐵電體的研究進(jìn)展反鐵電陶瓷當(dāng)前第1頁\共有31頁\編于星期日\16點鐵電體的定義：鐵電體：某些晶體在一定的溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化，而且其自發(fā)極化方向可以因外電場方向的反向而反向，晶體的這種性質(zhì)稱為鐵電性，具有鐵電性的晶體稱為鐵電體當(dāng)前第2頁\共有31頁\編于星期日\16點反鐵電體的定義：反鐵電體：在一定溫度范圍內(nèi)相鄰離子聯(lián)線上的偶極子呈反平行排列，宏觀上自發(fā)極化強度為零，無電滯回線的材料，稱為反鐵電體。當(dāng)前第3頁\共有31頁\編于星期日\16點典型的鐵電材料鐵電材料概括起來可以分為兩大類：

a.一類以磷酸二氫鉀KH2PO4--簡稱KDP--為代表，具有氫鍵，他們從順電相過渡到鐵電像是無序到有序的相變；b.另一類則以鈦酸鋇為代表，從順電相到鐵電相的過渡是由于其中兩個子晶格發(fā)生相對位移。當(dāng)前第4頁\共有31頁\編于星期日\16點鈦酸鋇的晶體結(jié)構(gòu)圖和鐵電相變圖當(dāng)前第5頁\共有31頁\編于星期日\16點典型的反鐵電材料NH4H2PO4型（包括NH4H2AsO4及氘代鹽等

）；（NH4）2SO4型（包括NH4HSO4及NH4LiSO4等

）；（NH4）2H3IO6型（包括Ag2H3IO6等）；鈣鈦礦型（包括NaNbO3、PbZrO3、PbHfO3、Pb（Mg1／2W1／2）O3等）；RbNO3等。當(dāng)前第6頁\共有31頁\編于星期日\16點鐵電體與反鐵電體的相同點當(dāng)前第7頁\共有31頁\編于星期日\16點介電反常當(dāng)前第8頁\共有31頁\編于星期日\16點鐵電體與反鐵電體的不同點當(dāng)前第9頁\共有31頁\編于星期日\16點關(guān)于電滯回線當(dāng)前第10頁\共有31頁\編于星期日\16點鐵電體中由于出現(xiàn)疇結(jié)構(gòu)，一般地宏觀極化強度p＝0。當(dāng)外電場E很小時p與E有線性關(guān)系。當(dāng)E足夠大以后，出現(xiàn)p滯后于E而變化的關(guān)系曲線稱為電滯回線。經(jīng)過固定振幅的強交變電場多次反復(fù)極化之后，電滯回線有大致穩(wěn)定的形狀,參見圖。其中的箭頭標(biāo)明回線循環(huán)的方向。當(dāng)E很大時極化趨向飽和，從這部分外推至縱軸的截距p稱為飽和極化強度。E由幅值減小時p略有降低，當(dāng)E＝0時，鐵電體具有剩余極化強度pr；當(dāng)電場反向至E=-Ec時，剩余極化迅速消失，反向電場繼續(xù)增大時極化反向形成大致對稱的回線；Ec稱為矯頑場。電滯回線是判斷鐵電性的重要標(biāo)志。當(dāng)前第11頁\共有31頁\編于星期日\16點鐵電體的特性：極化強度P和電場強度E有復(fù)雜的非線性關(guān)系，εr不是常量，它隨E變，最大可達(dá)幾千；有電滯現(xiàn)象，在周期性變化的電場作用下，出現(xiàn)電滯回線，有剩余極化強度；當(dāng)溫度超過某一溫度時，鐵電性消失，這一溫度叫做居里（PierreCurie）溫度；鐵電體內(nèi)存在自發(fā)極化小區(qū)，把這種小區(qū)叫做電疇。正是因為存在電疇，鐵電體才具有以上這些獨特的性質(zhì)。當(dāng)前第12頁\共有31頁\編于星期日\16點關(guān)于雙電滯回線當(dāng)前第13頁\共有31頁\編于星期日\16點反鐵電體在轉(zhuǎn)變溫度以下，鄰近的晶胞彼此沿反平行方向自發(fā)極化。反鐵電體一般宏觀無剩余極化強度，但在很強的外電場作用下，可以誘導(dǎo)成鐵電相，其P-E呈雙電滯回線。其在E較小時，無電滯回線，當(dāng)E很大時，出現(xiàn)了雙電滯回線。當(dāng)前第14頁\共有31頁\編于星期日\16點反鐵電相變在順電-鐵電相變中，各晶胞中出現(xiàn)了電偶極矩，鐵電相晶胞與順電相晶胞比較，只是發(fā)生了微小的畸變。在順電-反鐵電相變中，順電相的相鄰晶胞出現(xiàn)了方向相反的偶極矩，顯然這樣的“晶胞”已不能作為反鐵電相的結(jié)構(gòu)重復(fù)單元。反鐵電相晶胞的體積因而是順電相晶胞的倍數(shù)。晶胞體積倍增是反鐵電相變的特征之一。反鐵電相變可認(rèn)為是順電相相鄰晶胞出現(xiàn)反向極化的結(jié)果，于是反鐵電相點群可由順電相點群與反向極化的疊加而得出。當(dāng)前第15頁\共有31頁\編于星期日\16點鐵電體的性質(zhì)當(dāng)前第16頁\共有31頁\編于星期日\16點鐵電性：在一些電介質(zhì)晶體中，晶胞的結(jié)構(gòu)使正負(fù)電荷重心不重合而出現(xiàn)電偶極矩，產(chǎn)生不等于零的電極化強度，使晶體具有自發(fā)極化，晶體的這種性質(zhì)叫鐵電性。介電性：將某一均勻的電介質(zhì)作為電容器的介質(zhì)而置于其兩極之間，則由于電介質(zhì)的極化，將使電容器的電容量比真空為介質(zhì)時的電容量增加若干倍的性質(zhì)。壓電性：某些介質(zhì)的單晶體，當(dāng)受到定向壓力或張力的作用時，能使晶體垂直于應(yīng)力的兩側(cè)表面上分別帶有等量的相反電荷的性質(zhì)。當(dāng)前第17頁\共有31頁\編于星期日\16點鐵電體的效應(yīng)當(dāng)前第18頁\共有31頁\編于星期日\16點光電效應(yīng)：物質(zhì)由于吸收光子而產(chǎn)生電的現(xiàn)象。聲電效應(yīng)：通過在半導(dǎo)體中傳播的聲波的作用而產(chǎn)生電動勢的一種現(xiàn)象。熱釋電效應(yīng)：由于溫度的變化引起極化狀態(tài)改變的現(xiàn)象。光折變效應(yīng)：在光場的作用下使材料中的折射率發(fā)生了可逆的變化的現(xiàn)象。當(dāng)前第19頁\共有31頁\編于星期日\16點鐵電體各種性質(zhì)的應(yīng)用鐵電性:鐵電場效應(yīng)晶體管FFET

介電性:大容量電容\可調(diào)諧微波器件壓電性:壓電傳感器\換能器\馬達(dá)電光效應(yīng):光開關(guān)\光波導(dǎo)\光顯示器件聲光效應(yīng):聲光偏轉(zhuǎn)器光折變效應(yīng):光調(diào)制器件\光信息存儲器件熱釋電效應(yīng):非致冷紅外焦平面陣列當(dāng)前第20頁\共有31頁\編于星期日\16點鐵電體的研究進(jìn)展當(dāng)前第21頁\共有31頁\編于星期日\16點第一性原理的計算現(xiàn)代能帶結(jié)構(gòu)方法和高速計算機(jī)的反展使得對鐵電性起因的研究變?yōu)榭赡?。通過第一性原理的計算，對BaTiO3、PbTiO3、KNbO3和LiTaO3等鐵電體，得出了電子密度分布，軟模位移和自發(fā)極化等重要結(jié)果，對闡明鐵電性的微觀機(jī)制有重要作用。當(dāng)前第22頁\共有31頁\編于星期日\16點尺寸效應(yīng)的研究隨著鐵電薄膜和鐵電超微粉的發(fā)展，鐵電尺寸效應(yīng)成為一個迫切需要研究的實際問題。近年來，人們從理論上預(yù)言了自發(fā)極化、相變溫度和介電極化率等隨尺寸變化的規(guī)律，并計算了典型鐵電體的鐵電臨界尺寸。這些結(jié)果不但對集成鐵電器件和精細(xì)復(fù)合材料的設(shè)計有指導(dǎo)作用，而且是鐵電理論在有限尺寸條件下的發(fā)展。當(dāng)前第23頁\共有31頁\編于星期日\16點鐵電液晶和鐵電聚合物的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究1975年MEYER發(fā)現(xiàn)，由手性分子組成的傾斜的層狀c相液晶具有鐵電性。在性能方面，鐵電液晶在電光顯示和非線性光學(xué)方面很有吸引力。電光顯示基于極化反轉(zhuǎn)，其響應(yīng)速度比普通絲狀液晶快幾個數(shù)量級。非線性光學(xué)方面，其二次諧波發(fā)生效率已不低于常用的無機(jī)非線性光學(xué)晶體。聚合物的鐵電性在70年代末期得到確證。雖然PVDF的熱電性和壓電性早已被發(fā)現(xiàn)，但直到70年代末才得到論證，并且人們發(fā)現(xiàn)了一些新的鐵電聚合物。聚合物組分繁多，結(jié)構(gòu)多樣化，預(yù)期從中可發(fā)掘出更多的鐵電體，從而擴(kuò)展鐵電體物理學(xué)的研究領(lǐng)域，并開發(fā)新的應(yīng)用。當(dāng)前第24頁\共有31頁\編于星期日\16點集成鐵電體的研究鐵電薄膜與半導(dǎo)體的集成稱為集成鐵電體，近年來廣泛開展了此類材料的研究。鐵電存貯器的基本形式是鐵電隨機(jī)存取存貯器。早期以為主要研究對象，直至年實現(xiàn)了的商業(yè)化。與五六十年代相比，當(dāng)前的材料和技術(shù)解決了幾個重要問題。一是采用薄膜，極化反轉(zhuǎn)電壓易于降低，可以和標(biāo)準(zhǔn)的硅或電路集成；二是在提高電滯回線矩形度的同時，在電路設(shè)計上采取措施，防止誤寫誤讀；三是疲勞特性大有改善，已制出反轉(zhuǎn)次數(shù)達(dá)5*1012次仍不顯示任何疲勞的鐵電薄膜。在存貯器上的重大應(yīng)用己逐漸在鐵電薄膜上實現(xiàn)。與此同時，鐵電薄膜的應(yīng)用也不局限于鐵電隨機(jī)存貯器，還有鐵電場效應(yīng)晶體管、鐵電動態(tài)隨機(jī)存取存貯器等。除存貯器外，集成鐵電體還可用于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。當(dāng)前第25頁\共有31頁\編于星期日\16點反鐵電體的研究方向當(dāng)前第26頁\共有31頁\編于星期日\16點反鐵電體的應(yīng)用當(dāng)前第27頁\共有31頁\編于星期日\16點貯能應(yīng)用利用反鐵電材料的極化強度-電場的雙電滯回線特性，可以制作一種新型的電壓調(diào)節(jié)器件。把這種器件與電路中的負(fù)載并聯(lián)，可以使負(fù)載兩端電壓穩(wěn)定在一個相當(dāng)狹窄的范圍之內(nèi)。這種器件適于在高壓下使用，尺寸小，重量輕，不需附加別的裝置，能用于交流、直流和脈沖功率源。當(dāng)前第28頁\共有31頁\編于星期日\16點換能應(yīng)用傳統(tǒng)的壓電體的能量轉(zhuǎn)換是線性的，而且是可逆的。但是，由于介電損耗及機(jī)械損耗的原因，它只能在低負(fù)荷循環(huán)下工作，而可轉(zhuǎn)換的能量密度約為0.05焦耳/厘米3。利用電場強迫反鐵電相變，轉(zhuǎn)變?yōu)殍F電體，使它放出機(jī)械能；或者施加壓應(yīng)力強迫鐵電體轉(zhuǎn)變?yōu)榉磋F電體，使放出電能。這種方法產(chǎn)生的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的能量密度可超過1焦耳/厘米3。強迫相轉(zhuǎn)變換能實際是使鐵電陶瓷內(nèi)部大量的電疇發(fā)生再取向，因而有更大的能量密度。但這時全部或大部分極化狀態(tài)受到破壞，能量轉(zhuǎn)換過程是非線性的。由于伴隨著有電滯回線現(xiàn)象，因而重復(fù)率及負(fù)荷循環(huán)必須低。施加偏壓可以使相轉(zhuǎn)變成為可逆