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1、铁电材料及其应用目录引言铁电薄膜的晶体结构铁电薄膜的薄膜的电性能性能铁电薄膜的薄膜的应用用总结什么是什么是铁电材料？材料？铁电体铁磁体具有自发磁化的现象压电材料和材料和铁电材料材料压电材料压电材料：材料：机械能与电能相互转换的功能材料。铁电材料：材料：具有压电效应材料中，能自发极化的一类材料。热释电材料压电材料一般介一般介电材料材料压电材料热释电材料铁电材料在晶体中，如果晶胞中正负电荷中心不重合，在晶体中，如果晶胞中正负电荷中心不重合，即每一个晶胞具有一定的固有偶极矩，由于即每一个晶胞具有一定的固有偶极矩，由于晶体结构的周期性和重复性，晶胞的固有偶晶体结构的周期性和重复性，晶胞的固有偶极矩便会
2、沿同一方向排列整齐，使晶体处于极矩便会沿同一方向排列整齐，使晶体处于高度极化状态。这种在无外电场作用下存在高度极化状态。这种在无外电场作用下存在的极化现象称为的极化现象称为自发极化自发极化 铁电材料的材料的发展展历史和史和现状状罗息息盐时期期发现铁电性KDP时期期热力学理论钙钛矿时期期软模理论铁电薄膜及其器件薄膜及其器件时期期小型化时间事件人物1824在罗息盐中发现热释电性Brewster1921发现罗息盐具有铁电性Valasek1935Busch19441949Devonshire1951提出反铁电体概念1964研制出铁电半导体(PTC)器件1977研制出铁电薄膜1993铁电薄膜和硅技术结合
3、铁电薄膜的晶体薄膜的晶体结构及自构及自发极化极化氧八面体排列原胞钛酸酸钡晶体及自晶体及自发极化极化钛酸钡的氧八面体结构立方晶相立方晶相：a = b = c， = = = 90四方晶相四方晶相：a = b c， = = = 90正交晶相正交晶相： a b c = = = 90三角晶相三角晶相：a = b = c = = 90自自发极化的微极化的微观机制机制u极轴导致自发极化u热运动引起的自发极化u有序无序型极化-+-+-+-+极极化化轴轴C-+-+极性轴导致的自发极化极性轴导致的自发极化-+-+固固有有偶偶极极子子正正电电荷荷与与负负电电荷荷层层交交替替排排列列-+-+-+-+ 氧八面体空腔体积
4、大于钛离子体积，给钛离子位移的余地。氧八面体空腔体积大于钛离子体积，给钛离子位移的余地。 由热运动导致的自发极化由热运动导致的自发极化较高温度时，较高温度时，钛离子热振动能较大，难于在偏离中心的某一个钛离子热振动能较大，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。对称性，自发极化为零。 较低温度时，钛离子热振动能降低，因热涨落，热振动能特别低的离子占很较低温度时，钛离子热振动能降低，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，有可能偏离平衡位置向某一个大比例
5、，其能量不足以克服氧离子电场作用，有可能偏离平衡位置向某一个氧离子靠近，偶极矩间的相互作用使偏离平衡位置的离子在新平衡位置上固氧离子靠近，偶极矩间的相互作用使偏离平衡位置的离子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，使晶体顺着该方向定下来，并使这一氧离子出现强烈极化，发生自发极化，使晶体顺着该方向延长，晶胞发生轻微畸变，由立方变为四方晶体。延长，晶胞发生轻微畸变，由立方变为四方晶体。 图图 B铁电薄膜的电性能介电性压电性热释电性铁电性介电性压电性压电效效应：当晶体受到机械力的作用时，表面将产生束缚电荷，电荷密度的大小和所受到的机械力成线性关系，这种由机械力产生电效应的
6、过程称之为压电效效应。压电介质压电介质机械能机械能电能电能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应压电效应及可逆性压电效应及可逆性(1)(1)压电单晶压电单晶典型典型 代表代表石英晶体石英晶体压电效效应的物理机制的物理机制晶晶体体内内部部正正负负离离子子的的偶偶极极矩矩在在外外力力的的作作用用下下由由于于晶晶体体的的形形变变而而被被破破坏坏，导导致致使使晶晶体体的的电电中中性性被被破破坏坏，从从而而使使其其在在一一些些特特定定的的方方向向上上的的晶晶体体表表面面出出现现剩余电电荷而产生的。剩余电电荷而产生的。(a)(a)(b)(b)(c)(c)(d)(d)逆压电效应和电致伸缩效应的区别与逆与逆
7、压电效效应的区的区别ES逆逆压电效效应电致伸致伸缩效效应热释电性热释电性性：由于温度的变化，晶体出现结构上的电荷中心相对位移，使自发极化强度发生变化，从而在两端产生异号的束缚电荷，这种现象称之为热释电性性压电体和热释电体的区别和联系区别因为温度变化引起晶体胀缩无方向性，因此由政府电荷中心位移产生的压电晶体并不产生热释电效应联系虽然温度变化引起晶体胀缩无方向性，但是由于自发极化偶极矩的存在使热释电晶体具有压电效应铁电性u电畴的概念畴：原子或离子有序排列的区域，畴与畴之间的边界叫做畴壁。E90畴壁180畴壁自发极化剩余极化矫顽电场CBODEFAABO&C&FDECBODEFA改进型的Sawyer
8、& Tower 电路Sawyer & Tower 电路因为Cx和C0是串联的，故两个电容器上的电荷是一样多的，即： Qx =Qc=Q因为样品的有效面积A和电容C是已知的，A/C为常数故U2与电位移D成正比。对于压电陶瓷，r1，故DP，因此U2与P成正比 电容器上的电压U2接到示波器的垂直致偏电极上，垂直幅度Uy与电压U2成正比，也就是说，示波器垂直幅度与电位移D（或极化强度P）成正比。 水平致偏电极则接到电位器W的滑动接点上，由于CCx，故UU1，因此水平致偏电极之间的水平幅度电压Ux正比于试样两端的电压U1，而试样两端的电场强度E=U1/d，因此在示波器上可以观察到P-E（或D-E）曲线，即
9、电滞回线。居里温度：居里温度：居里温度：居里温度：铁电顺电转变温度铁电顺电转变温度铁电顺电转变温度铁电顺电转变温度当温度高于某一数当温度高于某一数值时，由于，由于热扰动，自自发极化极化变为零，晶体将不再具零，晶体将不再具备铁电性，性，这一一临界温度就称界温度就称为居里温度居里温度Tc。在居里点以下，由于存在自在居里点以下，由于存在自发极化，晶极化，晶体呈体呈现铁电性，性，为铁电相。居里相。居里电以上，以上，材料材料为顺电相。相。 BaTiO3的例子：的例子： 120 05 120 05 909 909 顺电相顺电相铁电相铁电相铁电相铁电相铁电相铁电相立方相立方相四方相四方相正交相正交相三方相三
10、方相 临界特性临界特性临界特性临界特性晶体在发生顺电晶体在发生顺电-铁电相变或其它极化状态发生变化铁电相变或其它极化状态发生变化的结构相变时，晶体的一系列物理性质发生反常变的结构相变时，晶体的一系列物理性质发生反常变化。例如晶体的介电性质、弹性、压电性、光学性化。例如晶体的介电性质、弹性、压电性、光学性质、热学性质等大都出现明显的变化。晶体在相变质、热学性质等大都出现明显的变化。晶体在相变点附近发生的各种性能反常变化通称为临界现象。点附近发生的各种性能反常变化通称为临界现象。铁电薄膜的应用声表面滤波器(Surface Acoustic Wave Filter)SAW换能器热释电探测器存储器压电基片基片吸声材料吸声材料声表面声表面滤波器的一般波器的一般结构示意构示意图声表面声表面滤波器波器(Surface Acoustic Wave Filter)SAW换能器叉指电极结构压电基片基片声表面波吸收器声表面波吸收器叉指换能器的示意图热释电探测器红外外辐照照吸收吸收电极极工作工作电极极补偿元件元件热释电探测器的工作原理信号信号输出出
