压电热释电铁电材料.pptx

电子信息材料电子信息材料-03压电、热释电与铁电材料压电、热释电与铁电材料 材料科学与工程学院：马永昌材料科学与工程学院：马永昌 第三章第三章压电、热释电与铁电材料压电、热释电与铁电材料 各自的应用领域发展历史目录目录n n3.1 压电物理基础知识n n3.2 石英晶体n n3.3 热释电材料与器件n n3.4 铌酸锂和钽酸锂晶体n n3.5 铁电陶瓷压电、热释电、铁电晶体之间的关系热释电压电不导电（电介质）铁电 自发极化铁磁自发磁化 铁电物理研究新进展铁电物理研究新进展New Progress in Ferroelectrics王 忆Reporter:Wang Yi天文与应用物理系Tel:3601854Office Room:1218细推物理须行乐何用浮名绊此生 杜甫1.History of Ferroelectrics(Ferromagnetics)166（5）5年前后 法国La Rochelled地方人 Pierre de la Seignette最早试制成功罗息盐（RS）（酒石酸甲钠,NaKC4H4O64H2O）Sodium Potassium Tartrate Tetrahydrate 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多种铁电体铁电体的晶体结构：ABO3 (ABF3)perovskite structurewith A2+B4+or A1+B5+octahedra钙钛矿(ABO3)型铁电体是为数最多的一类铁电体钙钛矿结构的一个结构单元 Pierre was killed in a street accident in Paris on April 19,1906 Pierre Curie was born in Paris,on May 15,1859.A Nobel Prize Pioneer at the PanthonThe ashes of Marie Curie and her husband Pierre have now been laid to rest under the famous dome of the Panthon,in Paris,alongside the author Victor Hugo,the politician Jean Jaurs and the Resistance fighter Jean Moulin.Through her discovery of radium,Marie Curie paved the way for nuclear physics and cancer therapy.Born of Polish parents,she was a woman of science and courage,compassionate yet stubbornly determined.Her research work was to cost her her life.Born in Warsaw on November 7,1867Marie died of leukaemia in July,1934自发极化的产生顺电相：Ba：（0，0，0）Ti：（12，12，12），3O：（12，12，0）；(12，0，12）；（0，12，12)铁电相：Ba：（0，0，0）Ti：（12，12，12+0.0135），O：（12，12，-0.0250），2O：（12，0，12-0.0150）；（0，12，12-0.0150）重要特征：铁电体的电滞回线重要特征：铁电体的电滞回线(hysteresis loop)OD:Pr remanent polarizationOE:Ps spontaneous polarizationOF:Ec coercive fieldE:electric fieldP:polarization amplitude2.研究内容：bulk materials thin films核心问题 自发极化 spontaneous polarization自发极化是怎样产生的？自发极化与晶体结构和电子结构有什么关系？在各种外界条件作用下极化状态怎样变化？特殊的物理性质和应用五个研究阶段：五个研究阶段：第一阶段（19201939年）两种铁电结构材料，即罗息盐和KH2PO4系列；第二阶段（19401958年）Landau铁电唯象phenomenological理论开始建立 ，并趋于成熟；第三阶段（195970年代）铁电软模(Soft-Mode)理论出现和基本完善；第四阶段（80年代至今）主要研究各种非均匀系统。第五个阶段：96年开始铁电薄膜和铁电薄膜器件Lev Davidovich LandauBorn:22 Jan 1908 in Baku,Azerbaijan,Russian EmpireDied:1 April 1968 in Moscow,USSRSeveral Important Concepts:铁电相变：phase transition of ferroelectrics铁电相与顺电(paraelectricity)相之间的转变居里温度（居里点）Tc 铁电体(ferroelectric)变成顺电体(paraelectric)实质：自发极化出现或消失Domain and Domain WallDielectric Constant 3.铁电理论I：铁电宏观理论-朗道相变理论朗道相变理论将对称破缺引入到相变理论，强调对称性的重要性,对称性的存在与否是不容模棱两可的,高对称性相中某一对称元素突然消失,就对应于相变的发生,导致低对称相的出现。对称性对称性 有序化程度有序化程度序参量：序参量：描写系统内部有序化程度，表征相变过程 的基本参量.高对称相中为零，低对称相中 不为零.序参量和对称破缺对温度的依赖性 Landau理论的具体表达：理论的具体表达：自由能作于为序参量的函数。序参量：标量、矢量、张量或复数。在相变点附近，将自由能展开：Ferroelectric Bi3.25La0.75Ti3O12使自由能达到极小使自由能达到极小使自由能达到极小使自由能达到极小连续变化要求连续变化要求，Some important quantities can be obtained by:序参量(order parameter)：熵(entropy)：比热(specific heat)：特征函数：弹性吉布斯自由能G 如果特征函数连续但一级导数不连续则相变是一级的，如果一级导数连续，但二级导数不连续，则相变是二级的。将特征函数写为D的各偶次幂之和：T0：Curie-Weiss Temperature 铁电理论II:铁电相变的微观理论从原子或分子机制来说明铁电体的铁电性质根据晶体结构测定和理论分析，可将铁电相变分为两种类型：(1)位移型:displacive 由于原子的非谐振动，其平衡位置相对于顺电相发生了偏移(2)有序无序型:order-disorder 多个平衡位置 顺电相原子或原子团在这些位置的分布是无序的，在铁电相它们的分布有序化(KH2PO4)BaTiO3 兼具两者特征软模理论（位移型）：软模理论（位移型）：自发极化的出现联系于布里渊区中心某个光学横模的“软化”静态位移 集中注意对相变负责的晶胞中少数离子单势阱中的非谐振子 软模的机制：短程排斥力和长程库仑力平衡软模理论（有序无序型）：离子在双势阱中的运动序参量：氢的有序化程度 二能级系统：对称 反对称 隧穿频率 横场Ising模型 微观理论的进一步发展微观理论的进一步发展:软模理论：位移型系统 晶格振动光学横模 有序无序系统 赝自旋波(粒子在双势阱中的运动)铁电相变的统一理论 振动电子理论 极化方式：不同晶格类型中局部电场与外加电场之间的关系有几种不同的类型，但仍是争论激烈至尽未解决的问题。“莫索蒂灾难”（1）克劳修斯-莫索蒂-洛伦兹模型（2）昂萨格模型 “空间电荷”space charge电介质材料及介电性能P107束缚电荷 退极化场 静电能 机械约束 应变、应力能 极化均匀程度与不稳定电畴domain 畴壁能domain wall总自由能取极小值的条件决定了电畴的稳定构型 极化反转的基本过程：1.新畴成核 2.畴的纵向长大 3.畴的横向扩张 4.畴的合并 介电响应：Dielectric Response电介质的本质特征：以极化的方式传递、存储、或记录电场的作用和影响 基本参量：极化率（电容率 permittivity）铁电体电容率的特点：数值大、非线性效应强、显著的温度和频率依赖性铁电体结构 缺陷 相变 铁电体的几个功能效应：压电效应：在某些晶体的特定方向施加压力，相应的表面上出现正或负的电荷，而且电荷密度与压力大小成正比。热电效应：极化随温度改变的现象非线性光学效应、电光效应、光折变效应等 5.铁电物理学研究的新进展：（1）第一性原理的计算 BaTiO3和PbTiO3都有铁电性，晶体结构和化学方面 都与它们相同的SrTiO3却没有铁电性？（2）尺寸效应的研究 自发极化、相变温度和介电极化率等随尺寸变化的 规律，铁电体的铁电临界尺寸 (3)铁电液晶和铁电聚合物的基础和应用研究 手性分子组成的倾斜的层状C相（SC*相）液晶具 有铁电性。铁电液晶在电光显示和非线性光学方面 有很大吸引力。(4)集成铁电体的研究：铁电薄膜与半导体的集成 铁电随机存取存储器（FRAM）铁电场效应晶体管（FFET）铁电动态随机存取存储器（FDRAM）红外探测与成像器件 超声与声表面波器件以及光电子器件等 铁电薄膜传感器 弛豫型铁电传感器Pulsed Laser Deposition(PLD)Problems:1)Fatigue2)Imprint Effect Voltage shift phenomenaoxygen annealed(10 Torr)vacuum annealed(10-6)Torr3)The polarization distribution aroundperiodic misfitdislocations(a)15-nm-(b)40-nm-thicks(001)PbTiO3 film on(001)LaAlO3 substrate Atomic-Scale Structure of Ferroelectric Thin Films1.Materials:SrBi1.Materials:SrBi2 2TaTa2 2OO9 9(SBT)Thin Films with (SBT)Thin Films with (001)orientation(001)orientation2.Substrates:Pt/TiO2.Substrates:Pt/TiO2 2/SiO/SiO2 2/Si (100)/Si (100)3.Growing Method:Pulsed Laser Deposition(PLD)3.Growing Method:Pulsed Laser Deposition(PLD)4)Compositionally Graded Ferroelectrics (Pb,La)TiO3 thin films on Pt/Ti/SiO2/Si substratesSimultaneous Ferroelectricity,Ferromagnetism5.New material with new propertity -Ferroelectro-magnetic MaterialsExamining Devicesn n1.Transverse Electron Microscopy(TEM)1.Transverse Electron Microscopy(TEM)n n2.High-Resolution Transmission Electron 2.High-Resolution Transmission Electron Microscopy(HRTEM)Microscopy(HRTEM)n n3.Dielectric Response(frequency,temperature)3.Dielectric Response(frequency,temperature)n n4.Scanning Electron Microscopy(SEM)4.Scanning Electron Microscopy(SEM)n n5.Atomic Force Microscopy(AFM)5.Atomic Force Microscopy(AFM)n n6.XRD(X-Ray Diffraction)6.XRD(X-Ray Diffraction)Piezoelectric properties and poling effect of Pb(Zr,Ti)O3 thick films6.Possible Ferroelectric Chips -a disruptive technology -a disruptive technology 1)Volatile memory chips:lose the data they store when the power is turned off.Most common types of volatile memory are DRAM and SRAM.2)Non-volatile memory chips:retain the data they store after the power is turned off.Most common types of volatile memory are flash and EEPROM.3)DRAM(dynamic random access memory):high-density chips used in personal computers to store operating system and applications software.Store data in the form of electric charge on capacitors,which needs to be refreshed thousands of times a second(hence,dynamic).4)SRAM(static random access memory):fast,relatively low-density memory used to store instructions for microprocessors or as a scratchpad in applications such as mobile phones.Needs battery back-up to retain contents.5).EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory):type of chip used for example in conventional smartcards.Needs a high voltage to program and erase,hence not suitable for portable,battery powered applications.6).Flash:high-density memory used in particular to store bulk data such as digital photographs and mobile phone system software.7).System-on-chip:sliver of silicon on which are integrated microprocessor,memory and input-output circuits.Increasingly used in consumer electronics to lower cost,reduce power consumption and increase flexibility.Thanks for your attention!Nothing is Impossible!（1）晶体形变（压力作用下的）可以）晶体形变（压力作用下的）可以产生电场（电荷极化）产生电场（电荷极化）压电效应；压电效应；（2）电场也可以使晶体发生形变）电场也可以使晶体发生形变逆压电效应逆压电效应电致伸缩效应与逆压电效应的区别：电致伸缩效应与逆压电效应的区别：（1）压电晶体在外电场作用下，由于逆压）压电晶体在外电场作用下，由于逆压电效应而发生的形变；事实上，任何介质在电效应而发生的形变；事实上，任何介质在外电场诱导极化的作用下，都会引起介质形外电场诱导极化的作用下，都会引起介质形变，但是这并非是逆压电效应。变，但是这并非是逆压电效应。电致伸缩效应与逆压电效应的共同点是：电致伸缩效应与逆压电效应的共同点是：介质在外电场的作用下发生形变。介质在外电场的作用下发生形变。电致伸缩效应电致伸缩效应 vs 逆压电效应逆压电效应三元系压电陶瓷三元系压电陶瓷电致伸缩效应与逆压电效应的区别：电致伸缩效应与逆压电效应的区别：（1）任何介质在外电场诱导极化的作用下，）任何介质在外电场诱导极化的作用下，都会引起形变，即电致伸缩效应；而逆压电都会引起形变，即电致伸缩效应；而逆压电效应是指压电晶体在外电场作用下发生的形效应是指压电晶体在外电场作用下发生的形变；变；（2）电致伸缩与外电场的平方成正比，并）电致伸缩与外电场的平方成正比，并且与外加电场的方向无关；而逆压电效应所且与外加电场的方向无关；而逆压电效应所产生的形变与外加电场在弹性限度内成线性产生的形变与外加电场在弹性限度内成线性关系，并依赖于外电场的方向。关系，并依赖于外电场的方向。小半径大电荷离子的作用小半径大电荷离子的作用Zr4+、Nb5+、Ti4+TiO2具有大介电常数的起因具有大介电常数的起因电介质各类极化建立的时间尺度电介质各类极化建立的时间尺度1电子位移极化 10-16-10-14 s2离子位移极化10-13-10-12 s3偶极子转向极化10-8-10-2 s4热离子位移极化10-2 s5空间电荷极化10-1-103 s6自发极化电畴随电场的转向时间长压电效应示意图压电效应示意图加压力之前加压力之前正负电荷中心重合正负电荷中心重合加压力之后加压力之后正负电荷中心分开正负电荷中心分开BaTiO3的晶格结构的晶格结构TiO6八面体八面体铁电性的实质铁电性的实质自发极化自发极化结构相变到四方相以后结构相变到四方相以后晶格的参数改变，晶格的参数改变，TiTi4+4+离子沿着离子沿着c c轴轴方向发生位移，方向发生位移，正负电荷中心偏移。正负电荷中心偏移。注意：晶格结构是四方相注意：晶格结构是四方相就会有正负电荷就会有正负电荷中心偏移，这是自发的。中心偏移，这是自发的。石英晶体石英晶体晶体空间3维结构Si-O四面体铁电材料铁电材料标志是电滞回线标志是电滞回线J.Wang et al.Science-v299-p1719(2003),BiFeOJ.Wang et al.Science-v299-p1719(2003),BiFeO3 3 thin filmthin filmBaTiO3的的90度和度和180度铁电畴度铁电畴石英晶格的石英晶格的Z平面投影平面投影石英石英Z平面投影的电荷分布计算平面投影的电荷分布计算注意晶胞的那个点的注意晶胞的那个点的注意晶胞的那个点的注意晶胞的那个点的何种电荷过剩何种电荷过剩何种电荷过剩何种电荷过剩BaTiO3的晶格结构和温度的关系的晶格结构和温度的关系H.F.Kay and P.Vousden,Philos.Mag.40,1019（1949）M.K.Lee et al.APL-v77-p3547（2000）BaTiO3的晶格结构和温度的关系的晶格结构和温度的关系温度上升温度上升温度上升温度上升/下降？下降？下降？下降？铌酸锂和钽酸锂晶体晶格结构晶格结构锆钛酸铅类系类系三元系压电陶瓷类系类系The End