1、PCMP功能材料铁电材料PCMP电介质功能材料介电材料铁电材料压电材料敏感电介质材料电功能材料电导体功能材料导电材料快离子导体电阻材料超导电体PCMP铁电材料1. 基本概念（什么是铁电体）2. 晶体结构3. 铁电体主要特征与物理属性4. 铁电材料的分类5. 典型铁电材料属性与应用PCMP“铁电体 ”名字由来“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-electric
2、ity）。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。PCMP一：基本定义一：基本定义 具有自发极化强度（Spontaneous polarization，Ps） 自发极化强度能在外加电场下反转, (Switchable，Ps)PCMP自发极化（ Spontaneous Polarization ）Pm-3mP4mmPCMP介质的极化特性与其晶体结构有着深刻的内在联系。按照其对称性，晶体可分为 7大晶系（？），32种 点群，其中有 20种 点群不具有中心对称，它们的电偶极矩可因弹性形变而改变，因而具有压电性并称为
3、 压电体 。在压电体中具有唯一极轴（又称为自发极化轴）的 10种 点群可出现自发极化，即在无外电场存在的情况下也存在电极化。它们因受热产生电荷，故称为 热释电体 。在这些极性晶体中，因外加电场作用而改变自发极化方向的晶体便是 铁电体 。因此，凡是铁电体必然是热释电体，而热释电体也必然是压电体。二：晶体结构铁电体压电体热释电体PCMP2.1 铁电材料的钙钛矿结构ABO3型 钙钛矿结构钙钛矿结构以BaTiO3的结构为代表，许多铁电、介电、压电、光电以及高温超导材料都具有钙钛矿结构，如：CaTiO3,BaTiO3, PbZrO3(Na1/2Bi1/2)TiO3，(K1/2Bi1/2)TiO3Pb(Z
4、n1/3Nb2/3)O3，Pb(Mg1/3Nb2/3)O3PCMPABO3型钙钛矿晶胞结构PCMP形成钙钛矿条件：离子 A、 B、 C的半径 RA、 RB、 RO满足下列关系才能组成 ABO3结构：式中 t为容差因子（ 0.91.1范围内），A离子半径约为 1.001.40，B离子半径约为 0.450.75，O氧离子半径为 1.32。)(2/()(OBOARRRRt +=PCMPABO容差因子（ t）计算（ ABO3)(2/()(OBOARRRRt +=试计算立方钙钛矿容差因子 t ？PCMP简单钙钛矿结构化合物组成ABO3型A位： +2价阳离子，如 ？B位： +4价阳离子，如 ？典型化合物：
5、 BaTiO3 ， CaTiO3 ， SrTiO3， PbTiO3，ZnTiO3， BaZrO3 ， PbZrO3等Mg2+， Ca2+， Sr2+， Ba2+， Zn2+， Pb2+等Ti4+， Zr4+ ， Hf4+等PCMP复合钙钛矿结构化合物（ A1 x1A2x2）（ B1y1B2y2） O3型A1A2占据 A位，满足条件：其中： x1， x2分别为 A1离子和 A2离子化学计量比； x1+x2=1y1， y2分别为 B1离子和 B2离子化学计量比； y1+y2=1B1B2占据 B位，满足条件：A位化合价 = A1x1+A2 x2=+2价B位化合价 = B1y1+B2 y2=+4价尝试
6、写出一些钙钛矿化合物？PCMPPCMPA位变化形成的化合物 ：(A+11/2A+31/2)TiO3型(Na1/2Bi1/2)TiO3(K1/2Bi1/2)TiO3(A1+2A2+2)TiO3型(Sr,Ba)TiO3(Mg,Zn)TiO3(Sr,Ba)ZrO3(Sr,Pb)ZrO3PCMPPb(B+21/3B+52/3)O3型Pb(B+32/3B+61/3)O3型Pb(B+21/2B+61/2)O3型Pb(B+31/2B+51/2)O3型B位变化形成的化合物 ：Pb(B1+41/2B2+41/2)O3型Pb(Zn1/3Nb2/3)O3，Pb(Mg1/3Nb2/3)O3Pb(Ni1/3Nb2/3)
7、O3，Pb(Mg1/3Ta2/3)O3Pb(Mg1/2W1/2)O3，Pb(Co1/2W1/2)O3Pb(Fe1/2Nb1/2)O3，Pb(Fe1/2Ta1/2)O3Pb(Ti1/2Zr1/2)O3，Ba(Ti1/2Zr1/2)O3Pb(Fe2/3W1/3)O3，Pb(Mn2/3W1/3)O3PCMP三：铁电体主要特征与物理属性1. 自发极化（Spontaneous polarization）2. 铁电畴 (Ferroelectric domain)3. 电滞回线(Hysteresis loop)4. 居里温度(Curie temperature,Tc)5. 介电反常(Dielectric a
8、nomalous)6. 重要物理效应PCMP3.1自发极化（ Spontaneous Polarization ）自发极化方向？PCMP铁电体内自发极化相同的小区域称为 铁电畴 ，10m；铁电畴之间的交界称为 畴壁。两种： 90 畴壁和 180 畴壁*3.2 铁电畴（ Ferroelectric domain ）*铁电畴夹角依赖与晶体结构PCMP3.2 铁电畴（ Ferroelectric domain ）PCMP3.2 铁电畴（ Ferroelectric domain ）PCMP3.3 电滞回线( Hysteresis loop)畴的反转 :在强电场作用下，使多畴铁电体变为单畴铁电体或使单
9、畴铁电体的自发极化反向的动力学过程称为畴的反转。矫顽电场强度（矫顽场,Ec）: 使剩余极化强度降为零时的电场值称为Ec。Ps：饱和极化强度Pr：剩余极化强度Ec：矫顽场A B C B D F G B变化过程：ABCDEFGPCMP电滞回线与铁电畴关系 自发极化Ps 剩余极化Pr 矫顽电场EcPCMP顺电铁电反铁电PCMP电滞回线相关内容小结1. 电滞回线表明，铁电体的极化强度与外电场之间呈现非线性关系，而且极化强度随外电场反向而反向。2. 极化强度反向是铁电畴反转的结果，所以电滞回线表明铁电体中存在铁电畴。3. 所谓铁电畴就是铁电体中自发极化方向一致的小区域，铁电畴与铁电畴之间的边界称为畴壁。
10、4. 铁电晶体通常多电畴体，每个电畴中的自发极化具有相同的方向，不同铁电畴中自发极化的取向间与晶体结构存在着简单的关系。PCMP电滞回线电滞回线Sawyer-Tower测量电路测量电路PCMP3.4 居里温度居里温度（Tc）定义：当晶体从高温降温经过TcTc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TcTc时，晶体不具有铁电性（？），温度低于TcTc时，晶体呈现出铁电性（？）。通常认为晶体的铁电结构是由其顺电结构经过微小畸变而得，所以铁电相的晶格对称性总是低于顺电相的对称性。 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
11、个铁电相的转变温度称为相变温度或过渡温度。PCMP3.5 介电反常：临界特征介电反常：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（Tc）附近都要出现反常现象，其中研究的最充分的是 “介电反常 ”。因为铁电体的介电性质是非线性的，介电常数随外加电场的大小而变，所以一般用电滞回线中在原点附近的斜率来代表铁电体的介电常数，实际测量介电常数时外加电场很小。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 ”。PCMP居里居里-外斯定律外斯定律Curie-Weiss law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；Tc为顺电居里温度，或称居里-外斯温度。TcTC=PCMP反铁电体锆酸铅的介电常数与温度的关系反铁电体锆酸铅的介电常数与温度的关系
