压电铁电物理王春雷yd0901市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx

1压电铁电物理压电铁电物理 Prof.C.L.Wang 王春雷王春雷 教授教授房间:9#327电话:77035-8327电邮:Room:9#327Phone:[phone]e-mail: Physics of Piezoelectrics and FerroelectricsPhysics of Piezoelectrics and Ferroelectrics第1页2课程网站：课程网站：http:/ 西安交通大学西安交通大学电介质物理电介质物理课程网站：课程网站：http:/ ceramicsRelationship of dielectrics第4页5山东大学电介质物理之特色山东大学电介质物理之特色功效电介质物理压电铁电物理n制备、物性、测量n基础研究n器件研发（不一样于材料、工程和化学专业学生，有物理背景）传统电介质物理四大问题：n极化 polarizationn损耗 lossn弛豫 relaxationn击穿 breakdownn老化 aging?第5页6课程内容介绍课程内容介绍v晶体结构晶体结构v介电性质介电性质v弹性性质弹性性质v压电性质压电性质v铁电性质铁电性质v宏观理论宏观理论v微观理论微观理论v电畴结构电畴结构v介电响应介电响应v应用介绍应用介绍第6页7Key syllabusvCrystal structure and basic conceptsvDielectric propertyvElastic propertyvPiezoelectricityvFerroelectricityvThermodynamic theoryvMicroscopic theoryvDomain structure vOptical propertyvApplications第7页8压电材料发展历史压电材料发展历史v18801880年，居里弟兄首先发觉电气石压电效应，年，居里弟兄首先发觉电气石压电效应，从此开始了压电学历史。从此开始了压电学历史。18811881年，居里弟兄试验验证了逆压电效应，年，居里弟兄试验验证了逆压电效应，给出石英相同正逆压电常数。给出石英相同正逆压电常数。v18941894年，年，VoigtVoigt指出，仅无对称中心二十种点指出，仅无对称中心二十种点群晶体才有可能含有压电效应，石英是压电群晶体才有可能含有压电效应，石英是压电晶体一个代表，它被取得应用。晶体一个代表，它被取得应用。第8页9v第一次世界大战，居里继承人郎之万，最先利用第一次世界大战，居里继承人郎之万，最先利用石英压电效应，制成了水下超声探测器，用于探石英压电效应，制成了水下超声探测器，用于探测潜水艇，从而揭开了压电应用史篇章。测潜水艇，从而揭开了压电应用史篇章。v压电材料及其应用取得划时代进展应归咎于第二压电材料及其应用取得划时代进展应归咎于第二次世界大战中发觉了次世界大战中发觉了BaTiOBaTiO3 3陶瓷，陶瓷，19471947年，美国年，美国RobertsRoberts在在BaTiOBaTiO3 3陶瓷上，施加高压进行极化处理，陶瓷上，施加高压进行极化处理，取得了压电陶瓷电压性。随即，日本主动开展利取得了压电陶瓷电压性。随即，日本主动开展利用用BaTiOBaTiO3 3压电陶瓷制作超声换能器、高频换能器、压电陶瓷制作超声换能器、高频换能器、压力传感器、滤波器、谐振器等各种压电器件应压力传感器、滤波器、谐振器等各种压电器件应用研究，这种研究一直进行到用研究，这种研究一直进行到5050年代中期。年代中期。第9页1019551955年，美国年，美国B.JaffeB.Jaffe等人发觉了比等人发觉了比BaTiOBaTiO3 3压电压电性更优越锆钛酸铅固溶体（性更优越锆钛酸铅固溶体（PbZrPbZrx xTiTi1-x1-xO O3 3，PZTPZT）压电陶瓷，促使压电器件应用研究又大大地向压电陶瓷，促使压电器件应用研究又大大地向前推进了一大步。前推进了一大步。BaTiOBaTiO3 3时代难于实用化一些时代难于实用化一些用途，尤其是压电陶瓷滤波器友好振器，伴随用途，尤其是压电陶瓷滤波器友好振器，伴随PZTPZT问世，而快速地实用化，应用声表面波问世，而快速地实用化，应用声表面波（SAWSAW）滤波器、延迟线和振荡器等）滤波器、延迟线和振荡器等SAWSAW器件，器件，在七十年代后期也取得了实用化。在七十年代后期也取得了实用化。第10页11上世纪上世纪7070年代早期，人们在锆钛酸铅材料二元系年代早期，人们在锆钛酸铅材料二元系配方配方Pb(ZrPb(Zr，Ti)OTi)O3 3大基础上又研究了加入第三元大基础上又研究了加入第三元改性压电陶瓷三元系配方，如铌镁酸铅系为改性压电陶瓷三元系配方，如铌镁酸铅系为Pb(MgPb(Mg1/31/3NbNb2/32/3)(ZrTi)O)(ZrTi)O3 3，可广泛用于拾音器、微，可广泛用于拾音器、微音器、滤波器、变压器、超声延迟线及引燃引爆音器、滤波器、变压器、超声延迟线及引燃引爆方面。如铌锌酸铅系方面。如铌锌酸铅系Pb(ZnPb(Zn1/31/3NbNb2/32/3)(ZrTi)O)(ZrTi)O3 3，主，主要用来制造性能优良陶瓷滤波器及机械滤波器换要用来制造性能优良陶瓷滤波器及机械滤波器换能器。能器。第11页12再以后，人们又在三元系压电陶瓷配方基础上又再以后，人们又在三元系压电陶瓷配方基础上又研究了四元系压电陶瓷材料，如研究了四元系压电陶瓷材料，如:Pb(NiPb(Ni1/31/3NbNb2/32/3)(Zn)(Zn1/31/3NbNb2/32/3)(ZrTi)O)(ZrTi)O3 3，Pb(MnPb(Mn1/21/2NiNi1/21/2)(Mn)(Mn1/21/2ZrZr1/21/2)(ZrTi)O)(ZrTi)O3 3等，可用来制等，可用来制造滤波器和受话器等。造滤波器和受话器等。二十世纪九十年代，二十世纪九十年代，PMN-PTPMN-PT单晶成功制备，并发单晶成功制备，并发觉其优异机电性能，使这类材料研究又形成了一觉其优异机电性能，使这类材料研究又形成了一个新高潮。个新高潮。第12页13铁电材料发展历史铁电材料发展历史v铁电体铁电体 FeRROELECTRICS,FeRROELECTRICS,铁铁 FeFev1665 Seignette Rochelle,1665 Seignette Rochelle,合成合成:酒石酸钾酒石酸钾钠钠NaKCNaKC4 4H H4 4O O6 64H4H2 2O Ov1920 Valasek,1920 Valasek,罗息盐罗息盐,Rochelle Salt,Rochelle Salt,奇奇异介电特征异介电特征,Rochelle-electricity,Rochelle-electricity,Seignette-electricity at Europe Seignette-electricity at Europe Journals,HJournals,H2 2O plays role?O plays role?v1920-1939 1920-1939 磷酸二氢钾磷酸二氢钾 KHKH2 2POPO4 4(KDP),(KDP),共共性性:氢键氢键 H-bondH-bond第13页14v1940-1958 1940-1958 唯象理论唯象理论,BaTiOBaTiO3 3等等,二次世界大二次世界大战战WWII,WWII,水听器水听器,铁电性一词出现铁电性一词出现,与铁磁性与铁磁性相同相同,磁滞回线磁滞回线,日文日文 强诱电性强诱电性v1959-19701959-1970s s 软模理论软模理论 Soft modes,Soft modes,Pb(ZrPb(Zrx xTiTi1-x1-x)O)O3 3(PZT)(PZT)系列压电陶瓷，其它实用系列压电陶瓷，其它实用性压电材料系列不停被发觉性压电材料系列不停被发觉v19801980s stoday,today,军用军用-民用，新材料，新现民用，新材料，新现象，新应用，如：铁电移相器，象，新应用，如：铁电移相器，FeRAM FeRAM 铁电存铁电存放器放器第14页15History in briefv1665 Seignette Rochelle,first synthesized of salt NaKC4H4O64H2Ov1920 Valasek,Rochelle Salt(RS),unusual behavior of dielectric property,Rochelle-electricity,Seignette-electricity Europe Journalsv1920-1939 KH2PO4(KDP),both RS and KDP have H-bonds第15页16v1940-1958 phenomenological theory,discovered BaTiO3 etc,WWII,hydrophone,term FERROELECTRICITY appeared,analog to Ferromagnetism,hysteresis loopv1959-1970s concept of Soft Modes,Pb(ZrxTi1-x)O3(PZT)based piezoelectricsv1980s today,military to domestic use第16页17国内概况国内概况v二十世纪五十年代，上海交通大学开设电介质物二十世纪五十年代，上海交通大学开设电介质物理课程，陈季丹理课程，陈季丹v山东大学压电铁电陶瓷教研室（山东大学压电铁电陶瓷教研室（19761976），），电介电介质教研室质教研室 1986 1986v中科院物理所，上海硅酸盐研究所中科院物理所，上海硅酸盐研究所,山东大学晶山东大学晶体材料研究所，中科院福建物质结构研究所，四体材料研究所，中科院福建物质结构研究所，四川压电与器件研究所川压电与器件研究所v西安交通大学西安交通大学,清华大学清华大学,中山大学中山大学,同济大学同济大学,浙江大学，天津大学，四川大学，湖北大学，陕浙江大学，天津大学，四川大学，湖北大学，陕西师范大学，武汉理工大学，上海交通大学等西师范大学，武汉理工大学，上海交通大学等v企业，国营企业，国营798798厂厂,私营民营企业私营民营企业第17页18最新动态最新动态v铁电聚合物铁电聚合物:PVDF-TrFEPVDF-TrFEv铁电单晶铁电单晶:PMN-PTPMN-PTv铁电薄膜铁电薄膜:FeRAM-FeRAM-集成铁电学集成铁电学integrated integrated ferroelectricsferroelectricsv弛豫铁电体弛豫铁电体:RelaxorRelaxorv微机电系统微机电系统MicroElectricMachenicSystem(MEMS)MicroElectricMachenicSystem(MEMS)v液晶显示液晶显示 liquid crystalsliquid crystals第18页19学习本课程所需前续知识学习本课程所需前续知识v力学：牛顿定律（力学：牛顿定律（NewtonNewtons laws law），），虎克定律虎克定律（HookHooks laws law）,应力、应变和弹性常数应力、应变和弹性常数v电磁学：麦克斯伟方程组，电磁学：麦克斯伟方程组，Maxwell equationsMaxwell equations，物质方程，物质方程，constitute equationconstitute equationv热力学和统计力学热力学和统计力学：热力学函数，自由能热力学函数，自由能v量子力学：波函数，本征态、本征能量量子力学：波函数，本征态、本征能量v固体物理：晶体，点阵和晶格振动固体物理：晶体，点阵和晶格振动v数学物理方法：特殊函数数学物理方法：特殊函数第19页20压电物理部分压电物理部分压电方程组压电方程组材料参量材料参量(介电、弹性、压电介电、弹性、压电)之间关系之间关系振动模式和机电转换振动模式和机电转换元件性能分析元件性能分析第20页21参考书籍张沛霖、钟维烈编著，压电材料与器件物理山东科学技术出版社，济南，1997 第21页22铁电体铁电体|自发极化自发极化实际实际应用应用晶体晶体结构结构基本现象基本现象早期了解早期了解热力学热力学理论理论微观机制微观机制软模概念软模概念介电响应介电响应畴结构和极畴结构和极化反转过程化反转过程热释电效应热释电效应铁电物理部分铁电物理部分第22页23参考书籍精装版，精装版，1996平装版，平装版，第23页24参考书籍殷之文 主编，电介质物理学 科学出版社，北京，1989年7月 第一版5月 第二版 第24页25学习本课程所需固体物理知识学习本课程所需固体物理知识第一章第一章第25页26晶体结构和基本概念晶体结构和基本概念v晶态和非晶态晶态和非晶态v晶体物理模型：点阵与基元，晶格晶体物理模型：点阵与基元，晶格v晶向、晶面和米勒指数晶向、晶面和米勒指数v七大晶系和十四中布拉菲格子七大晶系和十四中布拉菲格子v对称性和点群对称性和点群v晶体中三十二个点群晶体中三十二个点群v晶轴和坐标系选择晶轴和坐标系选择 第26页27晶体外形：以石英为例第27页28Quartz crystal理想石英外形：理想石英外形：分为左旋石英和分为左旋石英和右旋石英晶体右旋石英晶体成份：成份：SiOSiO2 2第28页29晶面角守恒定律 同一品种晶体，不论其外形怎样，两个对应晶面之间夹角保持不变。这个普遍规律被概括为:晶面角守恒定律。因为外界条件不一样，晶体在生长过程中，这个晶面比那个晶面可能生长地更加快些，甚至有晶面在外形上并不出现，但两个对应晶面之间夹角总是不变。第29页30比如，石英晶体中两个比如，石英晶体中两个m m面之间夹角总是面之间夹角总是120120 0000，r r面和面和s s面之间夹角总是面之间夹角总是113113 0808。晶面守恒定律发觉对于结晶学发展起了很晶面守恒定律发觉对于结晶学发展起了很大促进作用。比如，从晶面角之间关系大促进作用。比如，从晶面角之间关系造成晶体对称性概念产生。造成晶体对称性概念产生。第30页31不一定是这么：规则外形=规则微结构v晶体普通有规则外形。如石英、钻石、晶体普通有规则外形。如石英、钻石、NaClNaCl、雪花、冰等。雪花、冰等。X X射线衍射能够射线衍射能够得到一系列分立尖锐峰。普通有固定得到一系列分立尖锐峰。普通有固定溶点。溶点。v非晶材料没有规则外形。如普通玻璃、非晶材料没有规则外形。如普通玻璃、石蜡、沥青、琥珀等。石蜡、沥青、琥珀等。X X射线衍射只射线衍射只能观察到一个宽化弥散峰。没有一个能观察到一个宽化弥散峰。没有一个确切溶解温度。确切溶解温度。第31页32晶态与非晶态：微观结构晶态与非晶态：微观结构非晶态非晶态SiO2第32页33非晶态和晶态界面非晶态和晶态界面a-amorphousc-crystal第33页34晶态：原子或离子周期性重复排列状态。晶态：原子或离子周期性重复排列状态。晶体：处于晶态固体材料。晶体：处于晶态固体材料。以硅（以硅（SiSi）为例：非晶硅，单晶硅，多晶硅为例：非晶硅，单晶硅，多晶硅单晶硅：制造各种半导体芯片原料单晶硅：制造各种半导体芯片原料非晶硅：太阳电池板，成本低非晶硅：太阳电池板，成本低多晶硅：陶瓷材料，每个小颗粒是单晶多晶硅：陶瓷材料，每个小颗粒是单晶第34页35物理简化物理简化v晶体晶体=点阵点阵+基元基元v基元：原子、离子、原子团，分子集团基元：原子、离子、原子团，分子集团等等v点阵：用一个几何点表示上述基元后，点阵：用一个几何点表示上述基元后，晶体所组成点子阵列晶体所组成点子阵列v点阵是无限大沿三维周期性排列点子点阵是无限大沿三维周期性排列点子v用直线以某种方式把点子连接起来所形用直线以某种方式把点子连接起来所形成格子称为成格子称为晶格晶格。（晶格动力学）。（晶格动力学）第35页36第36页37点阵示例第37页38晶格示例第38页39晶格示例第39页40原胞，晶胞（cell）v为了研究方便，选取一个重复单元：原胞或叫晶胞v原胞选取方式能够有很各种，通常以下二种原胞最为常见v考虑对称性，更全方面地了解晶体性质：晶体学原胞晶体学原胞v最小重复单元，理论研究方便：固体物固体物理学原胞理学原胞第40页41二维点阵和原胞二维点阵和原胞第41页42三维点阵和原胞三维点阵和原胞第42页43基矢（基矢（Basis VectorBasis Vector）问题：相同格子，不一样原胞选取方式，基矢不一样！问题：相同格子，不一样原胞选取方式，基矢不一样！第43页44晶系和晶系和布喇菲布喇菲格子格子v通常描写晶胞六个物通常描写晶胞六个物理量是三个基矢长度理量是三个基矢长度和基矢之间夹角，如和基矢之间夹角，如图所表示图所表示va a，b b，c c，通通常又称为晶格常数，常又称为晶格常数，能够由能够由x x射线确定射线确定v依据依据a a，b b，c c，不一样，晶格可不一样，晶格可分为七大晶系和十四分为七大晶系和十四种布喇菲格子种布喇菲格子第44页45七大晶系七大晶系 seven systemsseven systems晶系名称晶系名称 晶轴上周期 晶轴间夹角 三斜晶系abc90单斜晶系abc=90，90正交晶系abc=90四方晶系a=bc=90六角晶系a=bc=90，=120三角晶系a=b=c=90立方晶系a=b=c=90第45页46布喇菲格子布喇菲格子 Bravais LatticesBravais Lattices属于每一晶系空间格子，因为重复单元所包含点子（格点、结点）不一样，又可分为一个或几个类型。这么，七个晶系中共有14种重复单元，通常称为14种布喇菲格子。14种布喇菲格子中，按每个格子所包含结点数目，又可分为原始格子、底心格子、体心格子和面心格子四种。第46页47十四种布喇菲格子十四种布喇菲格子三斜：简单三斜：简单单斜：简单，底心单斜：简单，底心正交：简单，体心，面心，底心正交：简单，体心，面心，底心四方：简单，体心四方：简单，体心六角：简单六角：简单三角：简单三角：简单立方：简单，体心，面心立方：简单，体心，面心问题：为何没有四方面心和底心格子？立方没问题：为何没有四方面心和底心格子？立方没有底心格子？有底心格子？第47页4814 Bravais Lattices14 Bravais LatticesvTriclinic:simplevMonoclinic:simple,side-centeredvOrthorhombic:simple,body-centered,face-centered,side-centeredvTetragonal:simple,body-centeredvHexagonal:simplevTrigonal:simplevCubic:simple(sc),body-centered(bcc),face-centered(fcc)第48页49第49页50体心立方格子（体心立方格子（bccbcc）lBody-centered-cubicl每个原胞有2格点第50页51面心立方格子（面心立方格子（fccfcc）lface-centered-cubicl每个原胞有4格点第51页52晶棱与晶向晶棱与晶向 edge&direction因为晶体结构周期性，晶格中各格点周因为晶体结构周期性，晶格中各格点周围情况都是一样，所以经过任意两个格围情况都是一样，所以经过任意两个格点作一条直线，则在直线上全部格点周点作一条直线，则在直线上全部格点周期相同，这么直线称为晶棱。再经过其期相同，这么直线称为晶棱。再经过其它格点还能够做许多与此晶棱平行直线，它格点还能够做许多与此晶棱平行直线，这些平行直线组成一个晶棱族。同一晶这些平行直线组成一个晶棱族。同一晶棱方向相同，而且能把全部点子包含无棱方向相同，而且能把全部点子包含无遗遗 。第52页53图1-8第53页54经过同一格点还可沿不一样方向作无限多经过同一格点还可沿不一样方向作无限多晶棱，如图晶棱，如图1-91-9中经过中经过O O晶棱有晶棱有1 1、2 2、3 3、4 4、5 5等等，其中每一个晶棱都有一组晶棱与之等等，其中每一个晶棱都有一组晶棱与之对应，就是说，能够做无限多个晶棱族，对应，就是说，能够做无限多个晶棱族，各族晶棱能够经过取向不一样而加以区分。各族晶棱能够经过取向不一样而加以区分。晶棱取向也简称晶向。只要表出了晶向，晶棱取向也简称晶向。只要表出了晶向，该组晶棱特点也就知道了。该组晶棱特点也就知道了。第54页55图1-9第55页56表示晶向方法表示晶向方法 取格点O为原点，a a、b b、c c为晶胞三个基矢，则其它任一格点A位置矢量为式中l1、l2、l3为整数（或有理数）。取l1、l2、l3互质比，即l1：l2：l3来表示晶棱OA方向，通常不直接用百分比记号，该用l1l2l3记号表示之。第56页57比如在图1-9中，晶棱1上A点为l1=1，l2=1，l3=0；B点为l1=2，l2=2，l3=0；比值为：l1：l2：l3=1：1：0=2：2：0，由此可得晶棱1方向为110。同理可得晶棱2方向为320，晶棱4方向为3 0，其中记号“”代表“-1”。以及a a、b b、c c轴方向为100、010、001（c c轴与图平面垂直，未画出）第57页58晶面与晶面指数晶面与晶面指数 晶格中，还能够从各个方向上划分成无限晶格中，还能够从各个方向上划分成无限多平面族，即晶面族，如图多平面族，即晶面族，如图1-101-10所表示。所表示。一族晶面中，彼此距离相等，方向相同，一族晶面中，彼此距离相等，方向相同，格点在晶面上分布也相同。格点在晶面上分布也相同。从立体几何中从立体几何中知道，要描述一个平面方向，就是表示出知道，要描述一个平面方向，就是表示出这个平面在三个坐标轴上截距，描写晶面这个平面在三个坐标轴上截距，描写晶面方向方法也是如此。方向方法也是如此。第58页59图1-10第59页60选取与晶轴平行基矢选取与晶轴平行基矢a a、b b、c c为坐标轴。假为坐标轴。假设有一个晶面与此三个坐标轴相交于设有一个晶面与此三个坐标轴相交于M M1 1、M M2 2和和M M3 3三点（如图三点（如图1-111-11所表示），截距分别等所表示），截距分别等于：于：OMOM1 1=ra=ra，OMOM2 2=sb=sb，OMOM3 3=tc=tc。在图在图1-111-11中中r=3r=3，s=2s=2，t=1t=1，因为普通晶面一定包含了因为普通晶面一定包含了全部格点，所以截距长度是一组有理数，或全部格点，所以截距长度是一组有理数，或者说截距倍数是晶格常数整数倍，假如晶面者说截距倍数是晶格常数整数倍，假如晶面与某一坐标轴平行，则晶面在此坐标轴截距与某一坐标轴平行，则晶面在此坐标轴截距为无限大（比如，若晶面与为无限大（比如，若晶面与b b轴平行，则轴平行，则s=s=）。）。第60页61图1-11第61页62密勒指数密勒指数 Miller IndicesMiller Indices为了防止使用无限大，常采取截距倒数互质整数比，即用:来表示晶面方向。通常不用百分比记号，该用（hkl）记号来表示晶面方向。（hkl）称为晶面指数，或称为米勒（Miller）指数。第62页63如图1-11中晶面指数为:即M1M2M3面米勒指数为（236）。有时也称M1M2M3面为（236）晶面。第63页64图1-12画出了用米勒指数表示一些晶面，在此图中，c轴与图面垂直。从图中还能够看出米勒指数越小晶面，晶面之间距离越大，晶面上原子密度也越大，晶体越轻易沿这些晶面裂开。图1-13中画出了一些惯用米勒指数。第64页65图1-12第65页66图1-13第66页67六角晶系中晶面指数v以上所讨论表示晶向和晶面方法，对于全部晶体都适用。v不过在六角晶系中，假如仍采取三个基矢a a、b b、c c（如图1-14a所表示）方法，则极难反应出六角晶系对称性，给工作带来不方便。v所以在结晶学中，往往采取专为六角晶系而设置按四个晶轴定向方法，晶向和晶面指数都是用四个指数。第67页68图1-14a第68页69六角晶系四个晶轴为a、b、c、d，其中a、b、d轴在同一个平面上，互成120夹角；c轴则垂直于该平面。米勒指数为（hkil）形式。如图1-14b所表示。其中h、k、i、l为该晶面在坐标轴上截距倒数互质整数比。第69页70图1-14b第70页71v比如，晶面ABD与a轴和c轴平行，在b轴上截距为1b，在d轴上截距为-d，故得晶面ABD米勒指数为（01 0）。从图1-14b还看出，各晶面指数存在这么规律，即h+k+i=0，就是说，在h、k、i中，只要知道其中两个即可确定第三个。v另外，在三角晶系中，也时常采取四个晶轴定向方法。第71页72SummarySummaryvBrief introduction to the background of Brief introduction to the background of Piezoelectrics and FerroelectricsPiezoelectrics and FerroelectricsvTo learn crystals and non-crystalsTo learn crystals and non-crystalsvWhy do we need lattice?Why do we need lattice?vCell and basis vectorCell and basis vectorv7 7 systems and 14 Bravais latticessystems and 14 Bravais lattices第72页