1、3 电滞回线电滞回线是铁电体的重要物理特征之一，也是判别铁电性的一个重要标志,一般用Sawyer-Tower 电路测试 Pr-the remanent polarization lead-containing ferroelectrics: 30 40C/cm2 Ec-the corcive field: from 2KV/cm to 120KV/cm,Typical hysteresis loops from various ferroelectric ceramics,(A) BaTiO3 capacitor (B) soft PZT (C) PLZT 8.6/65/35 (D) PZST
2、 antiferroelectric materal,Informations obtained from a hysteresis loop:,Memory or no memory High Pr relates to high interal polarizability, strain, electromechanical coupling, and electrooptic activity For the given material, larger grain size lower Ecsmaller grain size higher Ec A high degree of l
3、oop squareness indicates better homogeneity and uniformity of grain size,Internal space charge/aging internal electric bias off-centered loop The sharpness of loop lips indicates a high electrical resistivity The slope of the P-E loop at any point along the loop is equal to the large-signal dielectr
4、ic constant,单晶与陶瓷的电滞回线,温度对电滞回线的影响,BaTiO3的电滞回线,4 反铁电体,相邻晶格中的铁电活性离子沿反平行方向产生自发极化，形成两组反向极化的子晶格，宏观上不呈现自发极化。,反铁电体的介电性质在居里点处也出现反常，介电常数在居里温度以上服从居里外斯定律,反铁电铁电相变与双电滞回线,电场诱导反铁电铁电相变场致相变伴随较大的应变(比逆压电效应高一个数量级)PbZrO3是典型的反铁电体,5 铁电相变与临界现象 铁电相变-结构相变,如: BaTiO3的结构相变与自发极化,m3m 130oC 4mm 0oC mm2 -90oC 3m Ps: 001 110 111,居里温
5、度-转变温度,BaTiO3的结构相变,铁电体的临界现象-“介电反常”,介电常数反映电畴在电场下转向的难易程度 在Tc下,电畴定向的活化能接近于零, 微弱电场足以使其定向, 故介电常数最大,当温度高于居里温度时，介电常数随温度的变化关系遵从CurieWeiss定律： C / (T-To) 其中: -介电常数，C-居里常数，To-特征温度,6 铁电体的功能效应,通过热力学理论可以推导出铁电体在电-力-热作用下的功能效应和功能参数的相互关系 热力学唯象理论 热力学参量: (E,D), (T,S), (,K),基本效应电学、力学、热力学 铁电体因具有自发极化且外电场下可反转，具有高的介电常数。 热电耦
6、合效应热释电效应 dPs = pdT, p-热释电系数, C/m2K 光电耦合效应电光效应电控可变双折射效应电控可变光散射效应 机电耦合效应电致伸缩效应和压电效应 电致伸缩：x = QP1P2, 二次非线性耦合效应 压电效应：D = dX,一次线性耦合效应 逆压电效应：x = dE, 一次线性耦合效应,7 铁电体的相变热力学,Devonshire 把Landau的相变热力学理论推广应用到铁电相变，序参量P 基本思路： (a) 将Gibbs自由能G(或弹性自由能G1)按P展开G1= 1/2g2P2+1/4g4P4+1/6g6P6 (b) 相变平衡状态，G1取极小值(c) 求解，并按指前项的符号分
7、析G1随P的变化规律,当E 0时，P Ps，去高次项后，GP可改写为： GP = Ps (g2 + g4Ps2 + g6Ps4) = 0 Ps = 0 为上式的一个解， 对应于 c, 晶体不存在自发极化的情形 若使括号内方程等于零，则:,在g4 0, g42 g2g6及g4 0时，可得Ps 0的解，对应于 c时，晶体呈现自发极化，显示铁电性。 必须：g6 0, 因如g6 0, P ,则G ，即自发极化无穷大的状态是晶体的稳定状态，不合理。,二级相变 （g4 0，g6 0） g2与温度呈线性关系，引入：g2 = (-0),（该假定实际上是表明顺电相的介电常数的变化复合Curie-Weiss定律）
8、，略去g6项， Ps(-0) + g4Ps2 = 0 即：Ps 0或 （1） 当0时，外加电场E0，仅有实根为Ps0，此时0为居里温度c （2） 当0, Gibbs自由能的极小值出现在,熵变：,g2 = (-0), g4、g6与温度无关，k = -1/2 Ps2 当0时，Ps0，k=0,说明c时熵变为0，即无滞热 比热变化：,二级相变的特征: Tc处，Ps连续变化，无潜热，比热突变,一级相变（g40） Ps(-0)-g4Ps2 + g6Ps4=0(1) 当0时，有两个实根 Ps0， 在Ps0处，Gp=0, Gp”0, Gibbs自由能出现极小值； 在处，同样Gp=0, Gp”0, Gibbs自由能也出现极小值，两个极小值相等，所以在转变温度c时，铁电相和非铁电相共存，其自由能相等。 （2） 当0, Gibbs自有能出现极小值。,特征温度：,对于BaTiO3, c = 0+7.7 (K),一级相变特征： Ps突变，有相变潜热，比热突变,总结: 铁电体的特征与临界现象,存在Ps, 在E 下Ps可重行定向 电畴与电畴结构 居里温度，Tc, 顺电相铁电相，对称性降低 P E非线性，电滞回线，介电常数依赖电场，Tc处介电反常 铁电相变: 一级相变和二级相变 T Tc时，介电常数满足Curie-Weiss 定律， = C/T-To 一级相变，Tc To, 二级相变，Tc=To,
