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1、铁电性 Ferroelectrics,主要内容,什么是铁电体， 铁电体主要特征 开关特性，Sawyer-Tower 电路 典型的铁电材料的主要物理性质 铁电材料的分类 反铁电体,基本定义,具有自发极化强度（Ps）Spontaneous Polarization 自发极化强度能在外加电场下反转, Switchable Ps,主要特征,电滞回线hysteresis loop 居里温度Curie temperature Tc 介电反常Dielectric anomalous,电滞回线 hysteresis loop,自发极化Ps 剩余极化Pr 矫顽电场Ec,Sawyer-Tower 电路,电滞回线表
2、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。 极化强度反向是电畴反转的结果，所以电滞回线表明铁电体中存在电畴。 所谓电畴就是铁电体中自发极化方向一致的小区域，电畴与电畴之间的边界称为畴壁。 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，不同电畴中自发极化强度的取向间存在着简单的关系。,居里温度 （ Tc,c）,当晶体从高温降温经过c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c时，晶体不具有铁电性，温度低于c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
3、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个铁电相的转变温度称为相变温度或过渡温度。,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”。,居里-外斯定律Curie-Weiss law,当温度高于
4、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；为绝对温度；0为顺电居里温度，或称居里-外斯温度。,Dielectric constant of BaTiO3,钛酸钡晶体的自发畸变与温度的关系,铁电晶体的分类,至今已经发现的铁电晶体有一千多种，它们广泛地分布于从立方晶系到单斜晶系的10个点群中。它们的自发极化强度从10-4C/m2到1C/m2，它们的居里点有的低到-261.5C（酒石酸铊锂），有的高于1500C。表6-1给出了部分铁电晶体的分子式、居里点和自发极化强度。对于晶格结构和特性差异如此之大的各种铁电体，要对它们做完善的统一分类是不容易的。到目前为
5、止，对铁电晶体的分类法有许多种，其中常用的有以下几种,按极化轴多少分类,根据铁电体的极化轴的多少分为两类。一类是只能沿一个晶轴方向极化的铁电体，如罗息盐以及其它酒石酸盐，磷酸二氢钾型铁电体，硫酸铵以及氟铍酸铵等。另一类是可以沿几个晶轴方向极化的铁电体（在非铁电相时这些晶轴是等效的），如钛酸钡、铌酸钾、钾铵铝矾等。这种分类方法便于研究铁电畴。,按照在非铁电相时有无对称中心分类,根据铁电体在非铁电相有无对称中心亦可分为两类。一类铁电体在其顺电相的晶体结构不具有对称中心，因而有压电效应。如钽铌酸锂、罗息盐、KDP族晶体。另一类铁电体，其顺电相的晶格结构具有对称中心，因而不具有压电效应，如钛酸钡、铌酸
6、钾以及它们的同类型晶体。这种分类方法便于铁电相变的热力学处理。,结晶化学分类,根据晶体成分和结构特征，可把铁电晶体分成两类。一类是含有氢键的晶体，如KDP族、TGS、罗息盐等。这类晶体的特点是可溶于水、力学性质软、居里点温度低、溶解温度低，常称“软”铁电体。另一类是双氧化物晶体，如钛酸钡、铌酸锂等晶体。它们的特点是不溶于水、力学性质硬、居里点温度高、溶解温度高，常称为“硬”铁电体。,按居里-外斯常数的大小分类,按居里-外斯常数的大小分类（参照图6-4），这种分类法有利于研究铁电体的相变机制。居里-外斯常数C 大约在105数量级的为第一类。这类铁电体的微观相变机制属于位移型，它主要包括钛酸钡等氧
7、化物形铁电体。近来发现的SbSI是这一类中的唯一例外，它不是氧化物。,居里-外斯常数C 大约在103数量级的为第二类，这类铁电体的微观相变机制属于有序-无序型，主要包括KDP、TGS、罗息盐和NaNO2等。C数量级大约在10的为第三类铁电晶体，属于这一类的典型晶体是(NH4)2Cd2(SO4)3。这类铁电体的相变机制目前尚未详细研究，也无专门的名称。,图6-4： 铁电体按居里-外斯常数分类表,反铁电体 Antiferroelectrics,反铁电体是这样一些晶体，晶体结构与同型铁电体相近，但相邻离子沿反平行方向产生自发极化，净自发极化强度为零，不存在类似于铁电中的电滞回线。介电常数（或极化率）
8、与温度的关系为：在相变温度以下，介电常数很小，一般数量级为10-102；在相变温度时，介电常数出现峰值，一般数量级为几千。在相变温度以上，介电常数与温度的关系遵从居里-外斯定律。,反铁电体 (Antiferroelectrics),x-射线分析表明，在相变温度以下，反铁电体中存在超结构线（即附加的衍射线）。这种超结构表示反铁电体中，晶体结构是由两种子晶格交错而成的，而子晶格之间沿相反方向极化。 反铁电体的例子： 磷酸二氢铵（NH4H2PO4） ，锆酸铅（PbZrO3）,PbZrO3反铁电体相晶格结构示意图,反铁电体锆酸铅的介电常数与温度的关系,电场对反铁电体的作用,铁电体和反铁电体常常是同型体，此外还观察到了铁电态与反铁电态之间的转变。这表明铁电态的自由能和反铁电态的自由能可以非常接近（特别是在PbZrO3型和WO3型结构中）。直流电场的作用肯定有利于铁电态而不利于反铁电态。现以PbZrO3反铁电体说明如下。,反铁电体锆酸铅的电滞回线以及临界电场与温度的关系,Thank You !,
