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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,本幻灯片资料仅供参考，不能作为科学依据，如有不当之处，请参考专业资料。谢谢,6.4,铁 电 性,一、铁电体，铁电体特点,二、铁电体居里外斯定律,三、铁电性特点,本节内容：,复习：,1,、介电击穿类型,2,、影响介电击穿原因,P,E,O,A,B,E,C,P,r,C,P,s,第1页,1,1,）铁电体是非线性介质,即,极化强度,和,外施电压,关系是非线性。,一、铁电体,没有外加电场时，介质极化强度等于零。有外电场时，介质极化强度与宏观电场,E,成正比。,备注：,线性介质,是一类特殊电介质材料，在一定温度范围内含有能自发极化，而且发极化方向可随外电场作可逆转动晶体。,1,、铁电体特点,第2页,2,即其极化状态并非由外电场所引发，而是由晶体内部结构特点所引发，晶体中每个晶胞内存在固有电偶极矩。,2,）铁电体是极性晶体,注意：铁电晶体一定是极性晶体，但并非全部极性晶体都是铁电体,第3页,3,Ba,2+,Ti,4+,O,-,3,）铁电体极化是自发极化,第二类是,有序,无序型,，其自发极化同个别离子有序化相联络；,经典有序,无序型晶体是含有氢键晶体，这类晶体中质子有序化运动引发自发极化，比如,KH,2,PO,4,晶体，该晶体含有铁电体特征。,A.,按相转变自发极化机构,铁电体,分两类：,第一类是,位移型,，其自发极化同一类离子亚点阵相对于另一类亚点阵整体位移相联络。,位移型,铁电体结构大多同钙钛矿结构及钛铁矿结构紧密相关。钛酸钡是经典钙钛矿型铁电体。,第4页,4,铁电体,第5页,5,例,1,：由位移引发自发极化,自发极化主要是由晶体中一些离子偏离了平衡位置，使单位晶胞中出现了偶极矩，偶极矩之间相互作用使偏离平衡位置离子在新位置上稳定下来，同时晶体结构发生了畸变。,钛酸钡结构：钙钛矿型结构,Ba,2+,Ti,4+,O,-,其自发极化出现主要是晶体中原子（离子）位置改变结果。,B.,铁电体自发极化机制,第6页,6,极化前晶体结构：,等轴晶系（大于,120,o,C,）：,晶胞常数：,a=4.01A,氧离子半径：,1.32A,钛离子半径：,0.64,钛离子处于氧八面体中，,两个氧离子间空隙为：,4.01,2 1.32=1.37,钛离子直径：,2 0.64=1.28,钛酸钡结构：钙钛矿型结构,自发极化过程：,氧八面体空腔体积大于钛离子体积，给钛离子位移余地。,较高温度时，热振动能比较大，钛离子难于在偏离中心某一个位置上固定下来，靠近六个氧离子几率相等，晶体保持高对称性，自发极化为零。,Ba,2+,Ti,4+,O,-,第7页,7,温度降低到,120,，低于距离温度，钛离子平均热振动能降低，因热涨落，热振动能尤其低离子占很大百分比，其能量不足以克服氧离子电场作用，有可能向某一个氧离子靠近，在新平衡位置上固定下来，并使这一氧离子出现强烈极化，发生自发极化，使晶体顺着这个方向延长，晶胞发生轻微畸变，由立方变为四方晶体。,Ba,2+,Ti,4+,O,-,第8页,8,-,-,+,+,+,-,-,-,+,+,-,-,+,+,+,+,+,+,-,-,+,+,+,+,极化轴,C,-,+,+,-,-,+,纤锌矿,(ZnS),结构在（,010,）上投影,表示晶体极性链两种方法,例,2,：含有极性轴或结构本身含有自发极化结构,+,-,+,-,固有偶极子,正电荷层与负电荷层交替排列,-,+,-,+,-,+,-,+,第9页,9,4,）铁电体含有,铁电性,在一些电介质晶体中，晶胞结构使正负电荷重心不重合而出现电偶极矩，产生不等于零电极化强度，使晶体含有自发极化。,晶体这种性质叫,铁电性,（,ferroelectricity,）。,当铁电体晶胞自发极化而出现电矩时，相邻晶胞电矩能够同向排列形成电畴，并出现,铁电性,；,相间反向排列而成为,反铁电性,。,与铁磁体磁滞回线形状类似,所以人们把这类晶体称为铁电体,(,其实晶体中并不含有铁,),第10页,10,在自发极化出现前非极性晶体称为,顺电性晶体,。,顺电性晶体与铁电性晶体转变温度称为,铁电居里点,T,C,。,当,TT,C,时，铁电相转变为顺电相，电滞回线消失，这时,P,与,E,普通有线性关系,P=,0,E,，而且介电常数服从居里外斯定律,C,为居里常数，,为特征温度。,代表电子位移极化对介电常数贡献,二、铁电体居里外斯定律,居里点附近居里外斯定律为,忽略,第11页,11,指铁电体微观结构性质，以及所以而可能显示出来宏观性质,电滞回线、电畴结构、自发极化以及对应晶胞形变（自发应变）、居里点、居里外斯定律等。,（一）铁电性几个主要特征,1,、铁电畴,铁电体自发极化方向不相同，但在一个小区域内，各晶胞自发极化方向相同，这个小区域就称为,铁电畴,(ferroelectric domains),。,两畴之间界壁称为畴壁。若两个电畴自发极化方向互成,90,，则其畴壁叫,90,畴壁。另外，还有,180,畴壁等。,三、铁电体铁电性,180,和,90,畴,1,）铁电畴形成,第12页,12,与晶体结构相关。,BaTiO,铁电相晶体结构有四方、斜方、菱形三种晶系，它们自发极化方向分别沿,001,，,011,，,111,方向，这么，除了,90,和,180,畴壁外，在斜方晶系中还有,60,和,120,畴壁，在菱形晶系中还有,71,，,109,畴壁。,2,）电畴取向,第13页,13,无外加电场时，电畴在晶体中分布杂乱无章，使整个晶体表现为电中性，宏观上无极性。,外电场作用时，沿电场方向极化畴长大，逆电场方向畴消失，其它方向分布电畴转到电场方向，极化强度随外加电场增加而增加，一直到整个结晶体成为一个单一极化畴为止。,如再继续增加电场只有电子与离子极化效应，和普通电介质一样。,3,）电畴运动,-,极化过程,电畴运动是经过在外电场作用下新畴出现、发展以及畴壁移动来实现。,第14页,14,铁电电滞回线,(,P,s,为自发极化强度，,E,c,为矫顽力）,电滞回线是铁电态一个标志,铁电体是电介质材料中一个很主要分支，它是一个特殊相变产物。,在从高对称性转变为低对称性过程中，伴伴随发生自发极化或亚点阵极化。,1,）电滞回线形成,铁电体微观结构特点决定了它有许多特殊宏观性质，从而区分于普通电介质。,2,、铁电体电滞回线,铁电体电滞回线是铁电畴在外电场作用下运动,宏观描述,。,P,E,O,A,B,E,C,P,r,C,P,s,第15页,15,沿电场方向电畴扩展，变大而与电场反平行方向电畴则变小。极化强度随外电场增加而增加，如图中,oA,段曲线。,电场强度继续增大，最终晶体电畴方向都趋于电场方向，类似于单畴，极化强度到达饱和，这相当于图中,C,附近部分。,铁电电滞回线,A.,施加电场,E,P,O,A,B,E,C,P,r,C,P,s,P,s,P,r,第16页,16,自发极化强度,Ps,：铁电晶体晶胞中电偶极矩是电介质在转变为铁电体时自发出现,其数值为一定值。这个数值除以晶胞体积所得到商称为自发极化强度,P,S,。,再增加电场，,P,与,E,成线性关系,(,类似于单个弹性偶极子,),。将这线性部分外推至,E=0,时情况，此时在纵轴,P,上截距称为,自发极化强度,Ps,。,自发极化强度,P,s,P,O,A,B,E,C,P,r,C,P,s,P,s,P,r,E,第17页,17,B.,去电场过程,晶体极化强度亦随之减小,在零电场处，仍存在,剩下极化强度,P,r,。,剩下极化：,90,电畴转向是不充分，而且，因为转向时引发较大内应力，所以这种转向不稳定。当外加电场撤去后，则有小部分电畴偏离极化方向，恢复原位，大部分电畴则停留在新转向极化方向上，这叫,剩下极化,。,普通在外电场作用下，,180,畴转向比较充分,比较稳定。,剩下极化强度,Pr,：,P,O,A,B,E,C,P,r,C,P,s,P,s,P,r,E,第18页,18,反向电场继续增大，极化强度才开始反向。,C.,施加反向电场,矫顽力,Ec,到达一值,Ec,，剩下极化全部消失。,Ec,常称为矫顽电场强度，,假如它大于晶体击穿场强，那么在极化强度反向前，晶体就被击穿，则不能说该晶体含有铁电性。,因为极化非线性，铁电体介电常数不是常数。普通以,OA,在原点斜率来代表介电常数。,P,O,A,B,E,C,P,r,C,P,s,P,s,P,r,E,第19页,19,a,）极化温度影响,极化温度较高，其电滞回线形状比较细长。因为温度高时电畴运动轻易，因而矫顽力和到达饱和极化强度需极化电压都降低。,b,）环境温度影响,内部自发极化发生改变，尤其是在相界处,(,晶型转变温度点,),改变最为显著。比如，,Ba-TiO,3,在居里温度附近，电滞回线逐步闭合为一直线,(,铁电性消失,),。,A.,温度,2,）电滞回线形状影响原因,“,预极化,”,工艺：铁电畴在外电场作用下,“,转向,”,，使得介质材料含有,宏观剩下极化强度,，即材料含有,“,极性,”,。,P,O,A,B,E,C,P,r,C,P,s,P,s,P,r,E,第20页,20,B.,极化时间和极化电压对电滞回线影响,电畴转向需要一定时间，时间适当长一点，极化就能够充分化强度。,极化电压对电畴转向有类似影响、极化电压加大，电畴转向程度高，剩下极化变大。,P,O,A,B,E,C,P,r,C,P,s,P,s,P,r,E,第21页,21,BaTiO,3,单晶和多晶体电滞回线,就不完全相同：,BaTiO,3,单晶电滞回线既窄又陡,靠近于矩形,，,Ps,和,Pr,很靠近，而且,Pr,较高；,BaTiO,3,陶瓷电滞回线既宽又斜。,C.,晶体结构对电滞回线影响,BaTiO,3,陶瓷电畴结构与,BaTiO,3,单晶电畴结构差异，造成二者之间在铁电性质方面微小差异。,原因,第22页,22,铁电材料在外加交变电场作用下都能形成电滞回线，不一样材料和不一样工艺条件对电滞回线形状都有很大影响。,3,）电滞回线意义,A.,判定铁电体依据,B.,因为有剩下极化强度，因而铁电体可用来作信息存放、图象显示。,当前已经研制出一些透明铁电器件，如铁电存放和显示器件、光阀，全息摄影器件等，就是利用外加电场使铁电畴作一定取向，使透明介质光学性质改变。,第23页,23,纯钛酸钡陶瓷介电常数在室温时约,1400,，在居里点,(120),附近，介电常数增加很快，可高达,6000-l0000,。,四、铁电体介电特征,移蜂效应,在铁电体中引入某种添加物生成固溶体，改变原来晶胞参数和离子间相互联络，使居里点向低温或高温方向移动，这就是,“,移蜂效应,”,。,为了在工作情况下,(,室温附近,),材料介电常数和温度关系尽可能平缓，即要求居里点远离室温温度，如加入,PbTiO,3,可使,BaTiO,3,居里点升高。,移峰目标,第24页,24,如在,BaTiO,3,中加入,Bi,2/3,SnO,3,，其居里点几乎完全消失，显示出直线性温度特征可认为其机理是加入非铁电体后，破坏了原来内电场，使自发极化减弱，即铁电性减小。,压峰效应,为了降低居里点处介电常数蜂值，即降低,-T,非线性，也使工作状态对应于,-T,平缓区。,压峰目标,第25页,25,