铁电体

铁电晶体（Ferroelectriccrystalline）第一节：铁电晶体的自发极化（spontaneouspolarization）定义：外电场作用下，晶体的正负电荷中心内不重合而呈现偶极矩的现象称为电介质的自发极化，而且这种自发极化的方向能随着外场方向的改变而改变。具有自发极化强度（Ps）SpontaneousPolarization自发极化强度能在外加电场下反转,SwitchablePs1.HistoryofFerroelectrics@166（5）5年前后法国LaRochelled地方人PierredelaSeignette最早试制成功罗息盐（RS）（酒石酸甲钠,NaKC4H4O6·4H2O）SodiumPotassiumTartrateTetrahydrate@1920年法国人Valasek发现罗息盐的特异的非线性介电性能，导致了“铁电性”概念的出现.1920年成为铁电物理学研究开始的象征？目前，世界上存在200多种铁电体铁电体与铁磁体在其它许多性质上也具有相应的平行类似性，“铁电体”之名即由此而来，其实它的性质与“铁”毫无关系。在欧洲（如法国、德国）常称“铁电体”为“薛格涅特电性”（Seignett-electricity）或“罗息尔电性”（Rochell-electricity）。因为历史上铁电现象是首先于1920年在罗息盐中发现的，而罗息盐是在1665年被法国药剂师薛格涅特在罗息这个地方第一次制备出来。Attention电介质、压电体、热释电体和铁电体钙钛矿(ABO3)型铁电体是为数最多的一类铁电体主要特征电滞回线hysteresisloop居里温度CurietemperatureTc介电反常Dielectricanomalous电滞回线hysteresisloop自发极化的测量：Sawyer-Tower电路电畴几种典型铁电体的性质BaTiO3，KNbO3，SrNbO3，NaNbO3，PbZrO3，Cd2NbO7KDP，磷酸二氢钾KH2PO4TGS，三甘氨酸硫酸盐，(NH2CH2COOH)3H2SO4RS，酒石酸钾钠（罗息盐）NaKC4H4O64H2O铁电晶体的分类相变类型•位移型铁电体：钙钛矿或者烧绿石结构的，钛酸钡、铌酸镉、铌酸锶•有序-无序型相变：RS，KDP，TGS结晶化学•氢键铁电体：RS，KDP，TGS；双氧化物铁电体：BT，KN,KT,NN极化轴•单轴铁电体:RS，KDP，TGS•多轴铁电体:BT,铌酸镉有无对称中心•无对称中心：KTN，KDP•有对称中心：BT，TGS居里温度CurietemperatureTc当晶体从高温降温经过Tc时，要经过一个从非铁电相（有时称顺电相）到铁电相的结构相变。温度高于Tc时，晶体不具有铁电性，温度低于Tc时，晶体呈现出铁电性。如果晶体存在两个或多个铁电相时，只有顺电-铁电相变温度才称为居里点；晶体从一个铁电相到另一个铁电相的转变温度称为相变温度或过渡温度。第二节：铁电体的结构相变介电反常：临界特征铁电体的介电性质、弹性性质、光学性质和热学性质等在居里点附近都要出现反常现象。大多数铁电体的介电常数在居里点附近具有很大的数值，其数量级可达，104-105，此即铁电体在临界温度的“介电反常”。RSTGS居里-外斯定律Curie-Weisslaw当温度高于居里点时，铁电体的介电常数与温度的关系服从居里-外斯定律：式中：C为居里-外斯常数；T为绝对温度；T0为顺电居里温度，或称居里-外斯温度。0CTT有序-无序型相变铁电体的自发极化RS的自发极化KDP的自发极化KDP的自发极化机制-质子有序化理论PSPSPSPS=0c/a=1.01位移型相变铁电体的自发极化晶胞参数（自发畸变）与温度的关系BaTiO3晶体的自发极化强度BaTiO3晶体的相对介电常数电场对BaTiO3晶体的相对介电常数的影响频率BaTiO3晶体的相对介电常数的影响BaTiO3晶体的相变（顺电-铁电）机制C轴a轴12001、高温的运动情况2、低温的运动情况Ba2+=0.143nmTi4+=0.132nmO2-=0.064nm铁电晶体的电畴结构定义：铁电体中，具有相同自发极化方向的小区域电畴的观测手段：偏光显微镜技术腐蚀技术花样粉末技术电子显微镜液晶技术电畴的结构畴壁：畴与畴之间的界面180o畴壁90o畴壁畴的极化反转研究方法：直接观察极化时畴的运动脉冲条件下开关瞬态1、直接观察畴的运动180o畴的运动1、畴的长大并非通过畴壁的侧向移动，而是依靠电畴内部沿着试样的边缘在靠近电极处生长出许多极化方向与外电场方向一直的尖劈状新畴（成核）2、成核以后，在电场作用下向前推进穿透整个试样内部机制：新畴与反向畴耦合，最终反向畴转向成核速率：前进速率：应力对180度畴的转向没有作用空间电荷对180度畴的转向起阻碍作用注意90o畴的运动1、一样需要成核2、成核数目越多成核速度越慢3、成核在阴极，沿电场方向45度长大，4、成核速率快，接近与声速5、畴壁的运动比较容易，运动以后会改变晶体形状，产生应变，有内应力6、在应力作用下可以成核和生长7、畴壁的振动与外界高频振动想干，造成更高频的振动衰减。2、瞬时条件下开关瞬态加上电场后瞬间，电畴反转过程所产生的电流脉冲波形来研究示波器脉冲源VR样品1、上升沿要陡2、脉冲振幅要大3、脉冲间隔要宽反铁电体反铁电体是这样一些晶体，晶体结构与同型铁电体相近，但相邻离子沿反平行方向产生自发极化，净自发极化强度为零，不存在类似于铁电中的电滞回线。介电常数（或极化率）与温度的关系为：在相变温度以下，介电常数很小，一般数量级为10-102；在相变温度时，介电常数出现峰值，一般数量级为几千。在相变温度以上，介电常数与温度的关系遵从居里-外斯定律。反铁电体铁电相变和反铁电相变铁电相变：晶体结构从高温高对称相向低温低对称相转变，相变后铁电体出现自发极化，铁电体在坐标空间呈现极性长程有序反铁电相变：晶体结构从高温高对称相向低温低对称相转变，相变后反铁电体出现亚晶格自发极化，反铁电体在晶格空间呈现反极性长程有序结构相变：铁畸变：相变晶胞数目不变；反铁畸变：新（低温）晶胞中化学式单位数目是旧（高温）晶胞中化学式单位数目的整数倍。铁畸变铁电体：BaTiO3，NaNO2反铁畸变铁电体（低对称相在单畴情况下呈现自发极化）：Gd（MnO4）3，方硼盐类反铁畸变铁电体：无反铁畸变反铁电体（低温条件下出现两个或者两个以上的自发极化亚晶格，但不呈现宏观计划量）：PbZrO3，NH4H2PO4PbZrO3反铁电晶体baCPS=？a-b平面上偶极子反平行排列baCPS=？温度诱导PbZrO3铁电-反铁电相变升温PbZrO3晶体的介电常数和热容电场诱导PbZrO3铁电-反铁电相变电介质储能机理