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1、,1,压电铁电物理,Prof. C. L. Wang 王春雷 教授,房间: 9#327 电话: 77035-8327 电邮:,Room: 9#327 Phone: 77036-8327 e-mail:,Physics of Piezoelectrics and Ferroelectrics,,2,课程网站：http:/ ceramics,Relationship of dielectrics,,5,山东大学电介质物理之特色,功能电介质物理 压电铁电物理 制备、物性、测量 基础研究 器件研发 （不同于材料、工程和化学专业的学生，有物理背景）,传统电介质物理 四大问题： 极化 polarizati
2、on 损耗 loss 弛豫 relaxation 击穿 breakdown 老化 aging ?,,6,课程内容简介,晶体结构 介电性质 弹性性质 压电性质 铁电性质,宏观理论 微观理论 电畴结构 介电响应 应用简介,,7,Key syllabus,Crystal structure and basic concepts Dielectric property Elastic property Piezoelectricity Ferroelectricity,Thermodynamic theory Microscopic theory Domain structure Optical pr
3、operty Applications,,8,压电材料的发展历史,1880年，居里兄弟首先发现电气石的压电效应，从此开始了压电学的历史。 1881年，居里兄弟实验验证了逆压电效应，给出石英相同的正逆压电常数。 1894年，Voigt指出，仅无对称中心的二十种点群的晶体才有可能具有压电效应，石英是压电晶体的一种代表，它被取得应用。,,9,第一次世界大战，居里的继承人郎之万，最先利用石英的压电效应，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。 压电材料及其应用取得划时代的进展应归咎于第二次世界大战中发现了BaTiO3陶瓷，1947年，美国Roberts在BaTiO3陶瓷上，施加
4、高压进行极化处理，获得了压电陶瓷的电压性。随后，日本积极开展利用BaTiO3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的应用研究，这种研究一直进行到50年代中期。,,10,1955年，美国B.Jaffe等人发现了比BaTiO3压电性更优越的锆钛酸铅固溶体（PbZrxTi1-xO3，PZT）压电陶瓷，促使压电器件的应用研究又大大地向前推进了一大步。BaTiO3时代难于实用化的一些用途，特别是压电陶瓷滤波器和谐振器，随着PZT的问世，而迅速地实用化，应用声表面波（SAW）的滤波器、延迟线和振荡器等SAW器件，在七十年代后期也取得了实用化。,,11,上世纪70年代初
5、期，人们在锆钛酸铅材料二元系配方Pb(Zr，Ti)O3大基础上又研究了加入第三元改性的压电陶瓷三元系配方，如铌镁酸铅系为Pb(Mg1/3Nb2/3)(ZrTi)O3，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方面。如铌锌酸铅系Pb(Zn1/3Nb2/3)(ZrTi)O3，主要用来制造性能优良的陶瓷滤波器及机械滤波器的换能器。,,12,再后来，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: Pb(Ni1/3Nb2/3)(Zn1/3Nb2/3)(ZrTi)O3，Pb(Mn1/2Ni1/2)(Mn1/2Zr1/2)(ZrTi)O3等，可用来制造滤波器和受话器等。
6、 二十世纪九十年代，PMN-PT单晶的成功制备，并发现其优异的机电性能，使这类材料的研究又形成了一个新的高潮。,,13,铁电材料的发展历史,铁电体 FeRROELECTRICS, 铁 Fe 1665 Seignette Rochelle,合成:酒石酸钾钠NaKC4H4O64H2O 1920 Valasek , 罗息盐, Rochelle Salt,奇异介电特性, Rochelle-electricity, Seignette-electricity at Europe Journals, H2O plays role? 1920-1939 磷酸二氢钾 KH2PO4( KDP) , 共性:氢键
7、H-bond,,14,1940-1958 唯象理论, BaTiO3等, 二次世界大战WWII, 水听器,铁电性一词出现, 与铁磁性相似, 磁滞回线, 日文强诱电性 1959-1970s 软模理论 Soft modes, Pb(ZrxTi1-x)O3(PZT)系列压电陶瓷，其它实用性的压电材料系列不断被发现 1980stoday,军用-民用，新材料，新现象，新应用，如：铁电移相器，FeRAM 铁电存储器,,15,History in brief,1665 Seignette Rochelle, first synthesized of salt NaKC4H4O64H2O 1920 Valase
8、k , Rochelle Salt(RS), unusual behavior of dielectric property, Rochelle-electricity, Seignette-electricity Europe Journals 1920-1939 KH2PO4( KDP) , both RS and KDP have H-bonds,,16,1940-1958 phenomenological theory, discovered BaTiO3 etc, WWII, hydrophone, term FERROELECTRICITY appeared, analog to
9、Ferromagnetism, hysteresis loop 1959-1970s concept of Soft Modes, Pb(ZrxTi1-x)O3(PZT) based piezoelectrics 1980s today, military to domestic use,,17,国内概况,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 山东大学压电铁电陶瓷教研室（1976）， 电介质教研室 1986 中科院物理所，上海硅酸盐研究所,山东大学晶体材料研究所，中科院福建物质结构研究所，四川压电与器件研究所 西安交通大学, 清华大学,中山大学,同济大学,浙江大学，天津大学
10、，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 企业，国营798厂,私营民营企业,,18,最新动态,铁电聚合物:PVDF-TrFE 铁电单晶:PMN-PT 铁电薄膜:FeRAM-集成铁电学integrated ferroelectrics 弛豫铁电体:Relaxor 微机电系统MicroElectricMachenicSystem(MEMS) 液晶显示 liquid crystals,,19,学习本课程所需的前续知识,力学：牛顿定律（Newtons law），虎克定律（Hooks law）,应力、应变和弹性常数 电磁学：麦克斯伟方程组，Maxwell equations，物质
11、方程，constitute equation 热力学和统计力学：热力学函数，自由能 量子力学：波函数，本征态、本征能量 固体物理：晶体，点阵和晶格振动 数学物理方法：特殊函数,,20,压电物理部分,压电方程组,材料参量(介电、弹性、压电)之间的关系,振动模式和机电转换,元件性能分析,,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,,22,铁电体|自发极化,实际应用,晶体结构,基本现象早期理解,热力学理论,微观机制 软模概念,介电响应,畴结构和极化反转过程,热释电效应,铁电物理部分,,23,参考书籍,精装版，1996,平装版，2000,,24,参考
12、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 2003年5月 第二版,,25,学习本课程所需的固体物理知识,第一章,,26,晶体结构和基本概念,晶态和非晶态 晶体的物理模型：点阵与基元，晶格 晶向、晶面和米勒指数 七大晶系和十四中布拉菲格子 对称性和点群 晶体中的三十二个点群 晶轴和坐标系的选择,,27,晶体的外形：以石英为例,,28,Quartz crystal,理想石英外形：分为左旋石英和右旋石英晶体 成分：SiO2,,29,晶面角守恒定律,同一品种的晶体，不论其外形如何，两个相应晶面之间的夹角保持不变。这个普遍规律被概括为:晶面角守恒定律。 由于外界条
13、件的不同，晶体在生长过程中，这个晶面比那个晶面可能生长地更快些，甚至有的晶面在外形上并不出现，但两个对应晶面之间的夹角总是不变。,,30,例如，石英晶体中的两个m面之间的夹角总是12000，r面和s面之间的夹角总是11308。 晶面守恒定律的发现对于结晶学的发展起了很大的促进作用。例如，从晶面角之间的关系导致晶体对称性概念的产生。,,31,不一定是这样的：规则外形=规则微结构,晶体一般有规则的外形。如石英、钻石、NaCl、雪花、冰等。 X射线衍射可以得到一系列分立尖锐的峰。一般有固定的溶点。 非晶材料没有规则的外形。如普通玻璃、石蜡、沥青、琥珀等。 X射线衍射只能观察到一个宽化的弥散的峰。没有一个确切的溶解温度。,,32,晶态与非晶态：微观结构,非晶态SiO2,,33,非晶态和晶态界面 a-amorphous c-crystal,,34,晶态：原子或离子周期性重复排列的状态。 晶体：处于晶态的固体材料。 以硅（Si）为例：非晶硅，单晶硅，多晶硅 单晶硅：制造各种半导体芯片的原料 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,,35,物理简化,晶体=点阵+基元 基元：原子、离子、原子团，分子集团等 点阵：用一个几何点表示上述基元后，晶体
