Anhui University of Technology Materials Physics Properties第三章材料的介电性能3.4 铁电性及铁电体P1161Anhui University of Technology Materials Physics Properties一、基本概念3.4 铁电性及铁电体自发极化：在没有外电场作用时，晶体中存在着由于电偶极子的有序排列而产生的极化铁电性：在一定温度范围内具有自发极化，且自发极化的方向可因外电场的作用而反向，晶体的这种特性称为铁电性铁电体：具有铁电性的晶体称为铁电体铁电体的两个特点：一是具有电滞回线，另一个是具有许多电畴铁电居里温度：铁电陶瓷只在某一温度范围内才具有铁电性，它有一临界温度Tc，当温度高于Tc时，铁电相转变为顺电相，自发极化消失晶体顺电相铁电相的临界转变温度Tc称为铁电居里温度（或居里温度、居里点）2Anhui University of Technology Materials Physics Properties二、BaTiO3晶体自发极化及电畴结构3.4 铁电性及铁电体1.BaTiO3晶体结构及极化BaTiO3的结构变体120，立方晶胞6120，四方晶胞-906，斜方晶胞-90，三方晶胞3Anhui University of Technology Materials Physics PropertiesBaTiO3铁电体的自发极化机理位移性理论自发极化主要是由晶体中某些离子偏离了平衡位置，使单位晶胞中出现了偶极矩，偶极矩之间的相互作用使偏离平衡位置的离子在新的位置上稳定下来，同时晶体结构发生了畸变。
钛酸钡的结构：钙钛矿型结构等轴晶系（大于120oC）：晶胞常数：a=4.01氧离子的半径：1.32钛离子的半径：0.64钛离子处于氧八面体中;两个氧离子间的空隙为：1.37钛离子的直径：1.284Anhui University of Technology Materials Physics Properties结果：氧八面体空腔体积大于钛离子体积，给钛离子位移的余地1) 较高温度时，热振动能比较大，钛离子难于在偏离中心的某一个位置上固定下来，接近六个氧离子的几率相等，晶体保持高的对称性，自发极化为零2) 温度降低，钛离子平均热振动能降低，因热涨落，热振动能特别低的离子占很大比例，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5Anhui University of Technology Materials Physics Properties一个BaTiO3晶体是由很多BaTiO3晶胞组成的当立方BaTiO3晶体冷却到120 时，将开始产生自发极化并同时进行着立方相向四方相的转变。
2.BaTiO3晶体的电畴结构晶体中出现了一个个由许多晶胞组成的自发极化方向相同的小区域，晶体中这种自发极化方向一致的小区域称为铁电畴（或电畴）两个铁电畴之间的界面称为畴壁晶体中两个自发极化方向反平行排列的铁电畴称为180畴，其畴壁称为180畴壁；晶体中两个自发极化方向相互垂直排列的铁电畴称为90畴，其畴壁称为90畴壁6Anhui University of Technology Materials Physics Properties电畴可用一些实验和测试方法观察到，例如可用弱酸溶液侵蚀晶体表面由显微观察可以看到多晶陶瓷中每个小晶粒可包含多个电畴当电介质的晶胞自发极化而出现电矩时，相邻晶胞的电矩可以同向排列形成电畴，并出现铁电性；也可以相间反向排列而成为反铁电性7Anhui University of Technology Materials Physics PropertiesBaTiO3单畴晶体的介电常数随温度的变化曲线3.BaTiO3晶体的介电温度特性8Anhui University of Technology Materials Physics PropertiesBaTiO3或BaTiO3基固溶体是BaTiO3基铁电介质陶瓷的主晶相，BaTiO3晶体的性质对BaTiO3陶瓷的性质有着直接的、重要的影响。
BaTiO3晶体具有如下介电温度特点：（1）BaTiO3晶体的介电常数很高，a轴方向测得的数值远高于c轴方向测得的数值；（2）在居里温度Tc处的介电常数最高；（3）介电常数随温度变化时存在热滞现象，在四方斜方相变温度以及斜方三方相变温度附近时表现得很明显；（4）介电常数随温度的变化呈现出非常明显的非线性9Anhui University of Technology Materials Physics PropertiesABCDFGHK三、铁电体的电滞回线3.4 铁电性及铁电体电滞回线是铁电体的一个特征它是铁电体的极化强度P随外加电场强度E的变化轨迹 Ps：饱和极化强度 Pr：剩余极化强度 Ec：矫顽电场强度（使剩余极化强度降为零时的电场值）变化过程：ABCBDFGHKC10Anhui University of Technology Materials Physics Properties(1)饱和极化强度Ps是指在指定温度下，用足够大的电场强度极化物质时，极化曲线达到接近水平时（即不再随外电场增大而明显增大）对于的P值2)剩余极化强度Pr铁电物质极化到饱和后，又将电场强度下降到零时，铁电物质中残留的极化强度称为剩余极化强度。
3)矫顽电场强度Ec铁电物质极化到饱和后，由于电滞现象，要使电介质中极化强度P为零，必须有一定的反向电场强度-E，该电场强度称为矫顽电场强度Ec11Anhui University of Technology Materials Physics Properties四、铁电陶瓷的应用3.4 铁电性及铁电体铁电体的功能效应12Anhui University of Technology Materials Physics Properties像BaTiO3一类的钙钛矿型铁电体具有很高的介电常数纯钛酸钡陶瓷的介电常数在室温时约1400；而在居里点(120)附近，介电常数增加很快，可高达600010000室温下r随温度变化比较平坦，这可以用来制造小体积大容量的陶瓷电容器高介电常数特性13Anhui University of Technology Materials Physics Properties电滞回线的特性在实际中有重要的应用由于它具有剩余极化强度，因而铁电体可以用来作信息存储和图像显示目前，已经研制出的一些透明铁电陶瓷器件，如铁电存储和显示器件等，就是利用外加电场使铁电畴作一定的取向，使透明陶瓷的光学性质变化。
电滞回线特性铁电存储器(FRAM)是一种新型的非易失性存储器其基本原理是利用铁电晶体的电畴极化反转特性储存数据14Anhui University of Technology Materials Physics PropertiesRamtron国际公司是全球领先的非易失性铁电半导体的供应商，其产品包括串行和并行铁电随机存储器（F-RAM）以及基于处理器系统的集成多种常用分立模拟和混合信号功能的处理器伴侣产品http:/ University of Technology Materials Physics Properties由于铁电体的极化随E而改变因而晶体的折射率也将随E改变这种由于外电场引起晶体折射率的变化称为电光效应利用晶体的电光效应可制作光调制器、晶体光阀、电光开关等光器件目前应用到激光技术中的晶体很多是铁电晶体，如LiNbO3，LiTaO3，KTN（钽铌酸钾等）电光效应16Anhui University of Technology Materials Physics Properties铁电体的非线性是指介电常数随外加电场强度非线性地变化强非线性铁电陶瓷主要用于制造电压敏感元件、介质放大器、脉冲发生器、稳压器、开关、频率调制等方面。
已获得应用的材料有BaTiO3-BaSnO3，BaTiO3-BaZrO3等非线性光学效应17Anhui University of Technology Materials Physics Properties热释电效应指的是电介质的极化随温度改变的现象设想一个单畴化了的铁电体，其中极化的排列使靠近极化矢量两端的表面附近出现束缚电荷在热平衡状态，这些束缚电荷被来自体内的等量反号的自由电荷所屏蔽，所以铁电体对外界并不显示电的作用当温度改变时，极化发生变化，原先的自由电荷不能再完全屏蔽束缚电荷，于是表面出现自由电荷，它们在附近的空间形成电场，对带电微粒有吸引或排斥作用如果与外电路连接，则可在电路中观测到电流，升温和降温两种情况下电流的方向相反利用其热释电性，可以制作红外探测器等热释电效应18。