第二十七讲(自发极化与热释电效应-)

晶体的自发极化与铁电性质自发极化与热释电效应电介质材料压电材料热释电材料铁电材料压电陶瓷材料自发极化许多电介质只有在电场作用才会极化（Ｐ≠０）；某些晶体，晶胞本身正负电荷中心不重合，晶胞具有极性；由于晶体结构的周期性和重复性，晶胞固有电矩会沿同一方向排列整齐，使晶体处于极化状态下，这种极化状态是在外场为零时自发地建立起来的，称自发极化。自发极化只存在单一极轴的点群中，在21种不存在对称中心的点群中，有10种含有唯一极轴点群1，2，m，mm2，3，3m，4，4mm，6，6mm自发极化PhysicsofFerroelectrics,KarinM.RabeCharlesH.Ahn,Springer,2007自发极化的单晶体是一个永久带电体，自发极化建立的表面束缚电荷被外来的表面自由电荷所屏蔽，束缚电荷建立的电场被抵消。自发极化++++++++++++++++++++--------------------------自由电荷束缚电荷++++++++++++++++++++---------------------------+温度变化时，晶体的总电矩发生改变，使束缚在表面的自由电荷层释放掉，晶体呈现带电状态或在闭合电路中产生电流，这一现象称热释电效应。热释电效应•具有自发极化的晶体称热释电晶体。•应力也会改变离子间的距离键角，使晶体自发极化强度改变，热释电晶体总是压电体。测试方法•当晶体的温度Ｔ均匀变化时，晶体的自发极化强度矢量Pi随之变化热释电效应dTPdPii•Pi是热释电系数，是一个矢量，大多数晶体的自发极化随温度增加而下降。•热释电系数为负值，温度升高，热运动倾向于干扰晶体中电矩的有序取向，使固有极化强度减小。材料PX(10-6Cm-2K-1)Px(10-6Cm-2K-1)Ppc(10-6Cm-2K-1)CdS(6mm)CdSe(6mm)ZnO(6mm)LiSO4H2O(2)LiTaO3(3m)Pb3Ge3O11(3)电气石(3m)Sr0.5Ba0.5Nb2O6(4mm)-4.0-3.5-9.4+86.3-176-100+4.0-600-2.97-2.94-6.9+60-175-116+0.48-500-0.13-0.67-0.35-161-92-470一些材料的热释电系数热释电效应实质上是热—电耦合方程。与压电效应相似，在电学量D、E和热学量T、S中，选E和T作自变量，可列出热电线性耦合方程。热释电效应2)3()2()1(2)3()2()1(3)3(2)2()1(dTPdTPPPdTdTPdTPPdTPdTPdTPdPiiiiiiiiiiiTPEDijTiji电场直接极化效应等温介电常数热电线性耦合效应热释电效应TTCEPSEii逆热释电效应热直接效应逆热释电系数恒电场下热容TPEDTTTCEPSEi矩阵形式热释电效应与弹性边界条件第一类热释电效应：机械夹持状态下加热，晶体的体积和外形被强制地保持不变第二类热释电效应：机械自由状态下加热，晶体因受热膨胀而产生应变，这种应变通过压电效应产生电位移而叠加在第一类效应上，由于热膨胀通过压电效应耦合而产生的附加热释电效应自由晶体受热时所产生的热释电效应是第一类效应和第二类效应之和热释电效应与弹性边界条件电场保持不变时，电位移D是应变x和温度T的函数，应变x又是应力X和温度T的函数设：）（TxfD,12,xfXT（）dTTDdxxDdDxT)()(dTTxdXXxdxXT)()(dTTxxDdTTDdDxTT)()()(EXETExEXTxxDTDTD,,,,)()()()(自由晶体，恒应力，恒电场0dX0dE热释电系数由两部分组成：热释电效应与弹性边界条件EXTDP,)(EXTDP,')(EXETTxxDP,,'')()(恒应变和恒电场下的热释电系数，第一类热释电系数第二因子为热膨胀系数α，第一因子为晶体压电常数e，合称第二类热释电系数。