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1、电介质材料在各类电子器件的功能实现中扮演着重要的角色，它又被称为电 介质。在电场的作用下，电介质中的带电粒子可以偏离原来的平衡位置，发生相 对位移，进而产生电极化。而某类特殊的电介质，在外部机械应力的作用下（如 压应力）发生形变，这个形变可以导致极化，并且在该电介质的相对的两个断面 形成符号相反的束缚电荷，而且束缚电荷的电荷密度正比于机械应力，这样一种 特殊的电介质即为压电材料。在压电材料中，又存在着一个特殊的分类，即热释 电材料，在热释电材料中，温度的变化可以引起电极化，从而在存在温差的两个 端面上形成电势差。铁电材料又是一类特殊的热释电材料，铁电晶体一定是极性 晶体，在一定温度范围内，即使
2、不存在外加电场，晶体中的正、负电荷中心也不 重合，每一个晶胞存在固有的电偶极矩，电偶极矩之间会发生长程的相互作用， 因此一定区域中的电偶极子将产生平行排列而发生自发极化，而自发极化的方向 可以随着外加电场方向的改变而改变。以上所述的几种关系可以用以下的示意图 1.1 来概括表达：原理：铁电材料是热释电材料的一个分支，它不仅具有自发极化，而且在一定温度范围 内，自发极化随会随外电场的改变而改变，而且极化强度随外电场的变化存在一 个如下图所示的滞回关系，这是铁电材料的一大特征，在铁电晶体两端加上电场 E 后，极化强度 P 随电场强度 E 增加沿从坐标原点 O 出发的曲线上升，中间有一 段为线性上升
3、，然后逐渐趋于平缓，最后达到饱和，不再上升。而当E下降，P不 沿原曲线下降，而是沿原曲线上方的曲线下降。当E为零时，极化强度P不等于 零而为PB，称为剩余极化强度。只有加上反向电场Eh时P才会等于零,Eh称为铁 电材料的矫顽电场强度。整条电滞回线如图所示 铁电晶体是由许多小区域组成， 这些小区域称为电畴，电畴内的极化方向一致，而相邻电畴的极化方向有所不同， 因此众多电畴的电偶极矩的取向是随机的，表现出各向同性。宏观来看，整个晶 体是非极化的，对外界呈电中性 在外电场作用下，极化沿电场方向的电畴扩大。 当所有电畴的电偶极取向一致，都沿外电场方向时 整个晶体成为一个单畴晶体， 到达图上饱和点。如果
4、外电场继续增加，此时晶体只有电子和离子极化，与普通电 介质一样，P与E成直线关系，延长BC直线交P轴于T,相应的极化强度Ps即为 该晶体的自发极化强度。如果环境温度超过某一温度值，铁电材料的自发极化即 消失，此温度称为居里温度。它是由低温的铁电相改变为高温的顺电相的温度。 通常来说，根据晶体的对称性，存在32 种点群， 230 种空间群。在32 种点群中， 存在20 种非中心对称的点群，属于这些点群的材料均具有压电性。在这二十种 具有压电性的点群中，十种具有自发极化，并且自发极化随温度变化，因此属于 这十种点群的材料具有所谓的热电性，而热电材料中只有一部分具有铁电性。具 有铁电性的材料概括起来
5、可分为两大类，第一类以磷酸二氢钾（KH2PO4,简称KDP） 为代表，具有氢键，顺电相到铁电相的相变是无序到有序的相变。中子绕射的数 据表明在氢键型的铁电晶体中，当温度在居里温度以上时，质子沿氢键的分布是 对称的，而当温度低于居里温度时，质子的分布较集中且不对称于邻近的离子， 质子会靠近氢键的一端。第二类铁电晶体以钛酸钡（BaTiO3）为代表，从顺电相 过渡到铁电相时，晶体中的两个子晶格发生相对位移。对于以为代表的钙钛矿型 铁电体，中子绕射实验证明，自发极化的出现是由于正离子的子晶格与负离子的 子晶格发生相对位移，导致正负电荷中心偏离。应用：如前所述，大部分材料在被极化时，极化强度P与外加电场
6、E是呈严格的 线性关系的，而铁电材料的非线性特性使它可以被用来制造电容可调的电容器， 典型的铁电电容器由一对电极夹着一层铁电材料组成，呈三明治结构。铁电材料 不仅有绝对值很高的介电常数（这对电容器的小型化非常重要），而且这个介电 常数是可调的，特别是在铁电-顺电相变温度附近，介电常数变得十分可观。在 铁电电容器的基础上，考虑到铁电材料具有自发极化的特性，铁电电容器又可被 应用于制造记忆存储器。在存储器中，使用的铁电材料为薄膜材料，这就使得铁 电材料的自发极化可以在一个相对较小的电压下被翻转，从而改善存储器的擦写 性能。铁电点容易还被用在医用成像超声机上，铁电电容器能够作为超声波的产 生器，同时可以接受被人体内脏器官反射的超声波，从而实现对人体器官的成像。 而又因为铁电材料对红外光的敏感性，二维铁电电容器的阵列被应用在高质量的 红外成像上，通过这种阵列测得的温度差别可以小至几百万分之一摄氏度。此外， 铁电电容器还被用作火警传感器、振动传感器，甚至是柴油发动机的燃料喷射器。 而如果将两个金属电极间的铁电材料层的厚度减小到纳米量级，这层铁电材料的 厚度足以使电子发生量子隧穿，这就形成了所谓的铁电隧穿结，这也是最近的研 究热点。
