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(jī)理三、鐵電疇四、鐵電體的性能及其應(yīng)用介質(zhì)的各種極化機(jī)構(gòu)，所講極化都是介質(zhì)在外加電場中的性質(zhì)。沒有外加電場時(shí)，介質(zhì)的極化強(qiáng)度等于零；有外加電場時(shí)，介質(zhì)的極化強(qiáng)度與外加電場E成正比。介質(zhì)線性介質(zhì)非線性介質(zhì)介質(zhì)的極化強(qiáng)度與外加電場的關(guān)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(zhì)特征。在某溫度范圍內(nèi)，當(dāng)不存在外加電場時(shí)，原晶胞中的正負(fù)電荷中心不相重合，這樣每一個(gè)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(chǎn)生原因：在某些晶體中,E＝0P，如:在鈣鈦礦結(jié)構(gòu)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(jù)-----鐵電體具有許多獨(dú)特性質(zhì)的主要原因鐵電體是在一定溫度范圍內(nèi)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(zhuǎn)動(dòng)的晶體。鐵電體一定是極性晶體，但自發(fā)極化轉(zhuǎn)動(dòng)的晶體僅發(fā)生在某些特殊結(jié)構(gòu)晶體當(dāng)中，在自發(fā)極化轉(zhuǎn)向時(shí)，結(jié)構(gòu)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(gè)亞族鐵電態(tài)下，晶體的極化與電場的關(guān)系：電滯回線，鐵電態(tài)的一個(gè)標(biāo)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(gè)重要判據(jù)。Ps－飽和極化強(qiáng)度Pr－剩余極化強(qiáng)度（remanentpolarization）Ec－矯頑場強(qiáng)（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(jié)晶化學(xué)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(shù)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(shí)原子運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)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(shù)C的大小分類：

I類（105k）、II類（103k）、III類（10k）按極化反轉(zhuǎn)時(shí)原子位移的維數(shù)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(gè)別離子的有序化相聯(lián)系自發(fā)極化同一類離子的亞點(diǎn)陣相對于另一類亞點(diǎn)陣的整體位移相聯(lián)系含有氫鍵：KH2PO4鈣鈦礦結(jié)構(gòu)：BaTiO3鐵鈦礦結(jié)構(gòu)1.BaTiO3的晶體結(jié)構(gòu)有氧八面體骨架的ABO3晶格

二、BaTiO3自發(fā)極化的微觀機(jī)理BaTiO3的晶體結(jié)構(gòu)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)2.BaTiO3的相變立方晶系四方晶系斜方晶系菱形結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(gè)O2-離子間的空隙大于Ti4+離子的直徑，其在氧八面體內(nèi)有位移的余地，溫度較高時(shí)（大于120°C），離子熱振動(dòng)能較大，因此Ti4+離子接近周圍6個(gè)O2-離子的幾率相等，晶胞內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生電矩，自發(fā)極化為0。溫度降低（小于120°C），Ti4+離子熱振動(dòng)能降低，熱振動(dòng)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(gè)O2-離子靠近，發(fā)生自發(fā)位移，使這個(gè)O2-離子發(fā)生強(qiáng)烈的電子位移極化。晶體沿著這個(gè)方向延長，晶胞發(fā)生畸變，晶體從立方結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆浇Y(jié)構(gòu)，晶胞中出現(xiàn)了電矩，即發(fā)生了自發(fā)極化。3.BaTiO3自發(fā)極化的微觀機(jī)理以中央四個(gè)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(jié)構(gòu)LiNbO3、LiTaO3c軸(a)(b)LiTaO3晶體結(jié)構(gòu)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(xiàn)象----“介電反?！盉aTiO3相對介電常數(shù)與溫度的關(guān)系介電常數(shù)反映電疇在電場下轉(zhuǎn)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(shù)最大當(dāng)溫度高于居里溫度時(shí)，介電常數(shù)隨溫度的變化關(guān)系遵從Curie－Weiss定律：＝C/(T-To)其中:--介電常數(shù)，C--居里常數(shù)，To--特征溫度一級(jí)相變：TC>T0(T0略小于TC)二級(jí)相變：TC＝T0鐵電相變一級(jí)相變二級(jí)相變在相變點(diǎn)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(xiàn)象。如BT等。在相變點(diǎn)上，PS連續(xù)地下降至零；相變沒有潛熱和熱滯現(xiàn)象。如KTP等。TTCPSTTCPS鐵電陶瓷中電疇結(jié)構(gòu)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°較薄：5-20A°°電疇結(jié)構(gòu)電疇壁結(jié)構(gòu)電疇壁兩側(cè)極化矢量不連續(xù)磁疇壁(Bloch壁)中磁化矢量連續(xù)變化復(fù)雜的電疇結(jié)構(gòu)BaTiO3中的電疇結(jié)構(gòu)弛豫鐵電單晶中的電疇結(jié)構(gòu)

3.觀察方法

（1）電子顯微技術(shù)

（2）光學(xué)技術(shù)（3）化學(xué)腐蝕（4）液晶法（5）X射線形貌技術(shù)（6）粉末沉積法（7）紫外光電發(fā)射（8）熱電技術(shù)掃描電鏡技術(shù)（SEM）透射電鏡技術(shù)（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(nèi)箭尾型90電疇結(jié)構(gòu)與曲流狀180電疇結(jié)構(gòu)采用電鏡技術(shù)觀察時(shí)，90疇經(jīng)常呈現(xiàn)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(nèi)薄片狀和箭尾型90電疇結(jié)構(gòu)(a)0.4