鐵電陶瓷材料介紹及其應用課件

14三月2024鐵電陶瓷材料介紹及其應用DevelopmentalHistoryofFerroelectrics1940sBirthofferroelectricceramics(BaTiO3)1950sPZTpiezoelectricceramicsdevelopedPTCeffectinBaTiO3ceramics1960sTransparentelectro-opticPLZTceramics1970sTheengineeredferroelectriccpmposites1980sPMNrelaxorceramicsFerroelectricfilmspreparedbysol-geltechniques1990sStrain-amplifiedactuators(Mooniedevices,RAINBOWactuators)TheintegratedferroelectricilmsonsiliconRelaxorsingle-crystalmaterialsGiantelectrostrictiverelaxorferroelectriccopolymersPhysicaleffect

ApplicationsHighpermittivityCapacitors(MLCs)PolarizationreversalFerroelectricfilmmemoryPyroelectricityPyroelectricsensors/detectorsElectroopticeffectElectroopticdevicesPiezoelectricityPiezoelectric/electrostrictivetransducersPTCeffectPTCthermistorsTypicalferroelectricceramicsBTBariumtitanatePZTLeadzirconatetitanatePLZTLeadlanthanumzirconatetitanatePMNLeadmagnesiumniobatePTLeadtitanatePZNLeadzincniobatePZSTLeadstannatezirconatetitanatePZLeadzirconateBSTBariumstrontiumtitanate§1.1鐵電體的基本物理特性1自發(fā)極化與鐵電體誘導極化：E≠0

P基本介電關系各向同性的線性電介質,P=

0E,

---電介質的極化率D=

0E+P,適用于各類電介質D=

E,適用于各向同性線性電介質電子位移極化,響應時間10-14

10-16s可見光頻段,

e

a3離子位移極化,10-12

10-13s,微波頻段，

I=

a3偶極子取向極化,

=

02/3KT空間電荷極化電極化的微觀機制自發(fā)極化：在某些極性晶體中,E＝0

P，如:在鈣鈦礦結構中，自發(fā)極化起因于[BO6]中中心離子的位移極性點群:1,2,m,2mm,4,4mm,3,3m,6,6mmPs可用電滯回線儀,或通過熱釋電流測得一般,鐵電體,Ps=0.1-100C/cm2BaTiO3Ps~25C/cm2ro+rTi=1.96?O-Ti=2.005?熱釋電體(Pyroelectrics):具有自發(fā)極化的晶體--極性晶體熱釋電效應:dPi=pidT(i=1,2,3)pi----熱釋電系數,單位:C/m2.K大多數晶體的Ps隨溫度的增加而下降,熱釋點系數為負在熱釋電體中,高度極化狀態(tài),Ps很高,外場難以改變Ps方向少數,在E作用下Ps可重新定向----鐵電體

鐵電體(Ferroelectrics):

Ps

E

Ps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熱釋電體的一個亞族壓電體(Piezoelectrics):非對稱中心極性晶體一定不具對稱中心Ferroelectrics<Pyroelectrics<Piezoelectrics<DielectricsInterrelationshipofpiezoelectric

andsubgroupsonthebasisofsymmetry2鐵電體的分類按結晶學分類(a)氫鍵晶體，如KDP,RS結構特征：[PO4]，軟鐵電體(b)雙氧化物晶體，如BT,PT,結構特點：[TiO6],硬鐵電體按極性軸數目分類(a)單軸鐵電體，如RS,KDP,LN,自發(fā)極化強度平行或反平行于極化軸(b)多軸鐵電體，如BT,Cd2Nb2O7按鐵電相變時原子的運動特點分類：(a)有序－無序型(b)位移型按Curie-Weiss常數C的大小分類：第一類鐵電體，C~105K,大多屬位移型第二類鐵電體，C~103K,多屬有序－無序型第三類鐵電體，C~10K,或稱非本征鐵電體，其鐵電相起因于壓電性與彈性不穩(wěn)定性的耦合3鐵電體的電疇結構Ps退極化場體系能量(靜電能+應變能)體系能量電疇/疇壁(靜電能+應變能)疇壁能自由能極小值

電疇結構疇結構受晶體結構的制約,如:四方BaTiO3鐵電相中存在兩類鐵電疇：180o電疇和90o電疇形成180o疇可以降低退極化能，形成非180o疇可以降低應變能電疇結構外電場作用下，180o疇的反轉不產生應變，而非180o疇的反轉則由于受到相鄰疇的約束而產生應變。復雜的電疇結構BaTiO3中的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)變化電疇運動成核與生