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1、第四章铁电体晶体本讲稿第一页，共三十六页4.1 铁电晶体的自发极化铁电晶体的自发极化n1什么是铁电晶体？具有那些基本性质？（掌握）n2什么是电滞回线与电畴？电滞回线的特征通常用那些参数来描述？（掌握）n3铁电体的介电系数是如何定义的？（掌握）n4铁电体是如何分类的？（掌握）返 回本讲稿第二页，共三十六页1什么是铁电晶体？具有那些基本性质？（掌握）n晶体在没有外加电场作用下，正负电荷重心不重合而呈现电偶极矩的现象称为晶体电介质自发极化，凡呈现自发极化，且自发极化方向能够因外施电场方向而改变的晶体，称为铁电晶体。n铁电体的一些基本性质：n（1）铁电体具有热释电性n（2）铁电体具有压电性n（3）铁电
2、体P-E曲线是非线性的多值函数，该多值函数通常用电滞回线描述返 回下一页本讲稿第三页，共三十六页2什么是电滞回线与电畴？电滞回线的特征通常用那些参数来描述？（掌握）n 极化强度P随电场增加过程与电场减少过程所形成的曲线并不是同一条曲线而在一定区域内形成闭合曲线，该闭合曲线称为电滞回线。n 电畴：自发极化并非整体晶体同向，而是包含各个不同方向的自发极化小区域，在此小区域极化方向相同、极化强度相同、存在一固有电矩，这个小区域称为电畴。电畴的取向只能根据晶体结构的对称性沿特定的几个方向取向。例如四角钛酸钡晶体的电畴结构：返 回本讲稿第四页，共三十六页2什么是电滞回线与电畴？电滞回线的特征通常用那些参
3、数来描述？（掌握）n剩余极化强度：当电场强度降低到零时，极化强度并不降为零而有一剩余极化强度，它相当于它是自发极化的剩余部分，而不是自发极化的全部，称为剩余极化强度n自发极化强度：线性部分BC的延长线与极化轴的截矩表示自发极化强度，是对每一个电畴来说的，相当于每一个电畴固有的饱和极化强度。返 回本讲稿第五页，共三十六页n矫顽电场：使极化强度为零的电场矫顽电场：使极化强度为零的电场n回回线线面面积积：电电场场变变化化一一周周所所需需的的能能量量返 回本讲稿第六页，共三十六页3铁电体的介电系数是如何定义的？（掌握）n通常所说的介电系数是在小讯号电场作用下测得的介电系数定义为铁电体的介电系数，又称为
4、微分介电系数，其数学定义式为返 回本讲稿第七页，共三十六页4铁电体是如何分类的？（掌握）n（1）按相变的微观结构分：n位移型相变铁电体：n非水溶性的硬铁电体属于位移型相转变铁电体，具有氧八面体结构。典型物质有钛酸钡、铌酸镉、铌酸锶。成因是：居里点以下，氧八面体中心离子产生偏心位移而形成偶极子，而氧离子则使偶极子之间耦合，产生自发式极化。n有序无序型铁电体：n水溶性的软铁电体属于此类铁电体。成因是：氢键的协调作用而使偶极子自发地有序排列从而产生自发极化。n此类方法方便于分析理解铁电性的起因。返 回本讲稿第八页，共三十六页n（2）按结晶化学分类n含有氢键的晶体：n这类晶体通常是从水溶液中生长出来的
5、，故常被称为水溶性铁电体，又叫软铁电体。典型物质：磷酸二氢钾（KDP）、三甘氨酸硫酸盐（TGS）、罗息盐（RS）。n双氧化物晶体n这类晶体是从高温熔体或熔盐中生长出来的，又称为硬铁电体其中很多是以氧离子八面体为基本结构单元的，并在氧离子间隙中填有高价正离子。典型物质有：BaTiO3 KNbO3 KTaO3等返 回本讲稿第九页，共三十六页n（3）按极化轴多少分类n 单晶轴极化：极化只能沿一个晶轴方向极化的铁电体。典型物质：RS、KDPn 多晶轴极化：极化可以沿多个晶轴方向极化的铁电体。典型物质：BaTiO3等n 此分类方法方便铁电畴的研究。返 回本讲稿第十页，共三十六页n（4）按铁电体在非铁电相
6、时有无对称中心分类n 无对称性铁电体：一般具有压电效应。典型物质钽铌酸钾（KTN）、磷酸二氢钾（KDP）n 有对称性铁电体：一般无压电效应。典型物质：BaTiO3、三苷肽硫酸（TGS）n 适用于铁电相变的热力学处理。返 回本讲稿第十一页，共三十六页4.2 铁电体的结构和相变n1罗息盐的铁电性有哪些规律和特点？（掌握）n2KDP的铁电性有哪些规律和特点？（掌握）n3BaTiO3的铁电性有哪些规律和特点（掌握）返 回本讲稿第十二页，共三十六页1罗息盐的铁电性有哪些规律和特点？（掌握）n（1）罗息盐晶体结构是斜方晶系，只在沿晶轴a的方向具有自发极化n（2）在-18和23时取得a轴方向的两个最大值，其
7、他方向的介电系数几乎不随温度的变化而变化。返 回本讲稿第十三页，共三十六页n（3）在自发极化区域之外的居里点附近满足居里-外斯定律：n（4）自发形变大，压电模数大。n（5）抗气候能力差，工作温度窄 返 回本讲稿第十四页，共三十六页2KDP的铁电性有哪些规律和特点？（掌握）n（1）室温下：KDP是四角晶系，没有对称中心，具有压电性。n（2）123K：KDP正交晶系，极化轴为原四角系的c轴。n（3）从室温附近开始随温度的下降，c向介电系数迅速增加到居里点极大值，而随温度下降c向介电系数迅速下降，a向介电系数随温度的下降变化不明显。居里点的50的范围之内服从居里-外斯定律本讲稿第十五页，共三十六页n
8、（4）自发极化强度随温度的升高逐渐下降，至居里相变点附近，极化强度是连续变化的，且迅速下降。相变为二级相变。本讲稿第十六页，共三十六页3BaTiO3的铁电性有哪些规律和特点（掌握）n（1）有三个铁电相变温度n120时（居里点）：四角晶系 极化轴为c轴（001）n0时：单斜晶系 极化轴为 （011）n-90时：三角晶系 极化轴为 （111）返 回本讲稿第十七页，共三十六页n（2）在居里点处或其它相变点处极化强度与介电系数随T变化迅速变化。（一级相变为跳跃式变化，二级相变为连续式变化）返 回本讲稿第十八页，共三十六页n（3）升温或降温，自发极化强度与温度的关系曲线不同，存在热滞回线返 回本讲稿第十
9、九页，共三十六页n（4）a向介电系数与c向介电系数相差很大n（5）多晶体的介电系数返 回本讲稿第二十页，共三十六页4.3 铁电晶体的电畴结构铁电晶体的电畴结构n1.什么是电筹及电筹结构？为何需要了解电筹结构？（了解）n2实验上如何观察电畴？（掌握）n3钛酸钡电畴结构特征是什么？（掌握）n4钛酸钡在外电场作用下其畴的极化反转是如何进行的？其速率特征和影响因素是什么？（了解）返 回本讲稿第二十一页，共三十六页1.什么是电筹及电畴结构？为何需要了解电畴什么是电筹及电畴结构？为何需要了解电畴结构？（了解）结构？（了解）n晶体内部在退极化电场的作用下，就会分裂出一系列自发极化方向不同的小区域，使其各自所
10、建立的退极化电场互相补偿，直到整个晶体对内、对外均不呈现电场为止。这些由自发极化方向相同的晶胞所组成的小区域便称为电畴，分隔相邻电畴的界面称为踌壁。铁电体的性能从微观上讲是由电畴结构所决定的，有什么样的电畴结构就具有什么样的铁电性能。因此欲了解铁电体的基本性能及其成因就必须考察铁电体的电畴结构返 回本讲稿第二十二页，共三十六页2实验上如何观察电畴？（掌握）实验上如何观察电畴？（掌握）n（1 1）电子显微镜观察法：）电子显微镜观察法：n SEM TEM AFM STMSEM TEM AFM STM n（2）偏光显微镜n晶片的不同区域在不同位置消光，那么就表示这些不同的区域包含有不同极轴方向的畴。
11、返 回本讲稿第二十三页，共三十六页偏光显微镜观察的电畴偏光显微镜观察的电畴返 回本讲稿第二十四页，共三十六页偏光显微镜观察的电畴偏光显微镜观察的电畴返 回本讲稿第二十五页，共三十六页2实验上如何观察电畴？（掌握）实验上如何观察电畴？（掌握）n（1）电子显微镜观察法：n SEM TEM AFM STM n（2）偏光显微镜n晶片的不同区域在不同位置消光，那么就表示这些不同的区域包含有不同极轴方向的畴。n（3）液晶法n方法是用一向列型液晶覆盖在晶体表面，由于晶体畴结构的极性影响，会使液晶分子形成一个与畴结构相应的重新取向的花样，再通过偏光显微镜便能清楚地观察到电畴的结构。返 回本讲稿第二十六页，共三
12、十六页n（4）粉末花样法n在绝缘的液体中，用有颜色的带电粉末沉积到铁电体极性端上，用反射式显微镜来观察n（5）化学腐蚀法n利用铁电体中的偶极矩的两端在酸中腐蚀的速度不同而观察电畴的结构。一般偶极矩的正端被酸浸蚀的速度很快，而负端浸蚀的速度要慢得多返 回本讲稿第二十七页，共三十六页化学腐蚀法观察电畴化学腐蚀法观察电畴返 回本讲稿第二十八页，共三十六页3钛酸钡电畴结构特征是什么？（掌握）钛酸钡电畴结构特征是什么？（掌握）n（1）四角晶相：90畴和180畴n（2）正交晶相：180畴，60畴和120畴n（3）三方晶相：71畴和109畴返 回本讲稿第二十九页，共三十六页4钛酸钡在外电场作用下其畴的极化反
13、转是如何进行的？钛酸钡在外电场作用下其畴的极化反转是如何进行的？其速率特征和影响因素是什么？（了解）其速率特征和影响因素是什么？（了解）n（1）新畴成核n通常用成核速率描述成核过程的速率n主要影响因素：样品厚度、温度及外电场强度、畴的结构。n（2）新畴生长过程n通常用两个速度描述生长过程n尖劈生长速度：对确定材料主要决定于温度和电场强度n畴壁生长速度：比尖劈生长速度小几个数量级返 回本讲稿第三十页，共三十六页n（3）对180畴空间电荷将阻碍新畴的生长速度。n（4）90畴的生长方向与外电场成45角，生长速度较180畴快。n（5）实际钛酸钡晶体多种畴结构同时存在，其极化反转过程相互影响而形成复杂的
14、畴结构。返 回本讲稿第三十一页，共三十六页畴的极化反转畴的极化反转返 回本讲稿第三十二页，共三十六页4.4 反铁电晶体反铁电晶体n1什么叫铁畸变与反铁畸变相变？什么叫铁电体与反铁电体？（掌握）n2PbZrO3反铁电有哪些主要特点？（掌握）返 回本讲稿第三十三页，共三十六页1什么叫铁畸变与反铁畸变相变？什么叫铁电体与反铁电体？（掌握）n（1）“铁畸变”相变：在这类相变中，每个原晶胞中化学式单位的数目z在相变时不变。n（2）“反铁畸变”相变：在这类相变中，新的(低温)原晶胞中的化学式单位数目是旧的(高温)原晶胞中化学式单位数目的整数倍。n（3）铁电体：极性长程有序的晶体，即存在自发极化且随电场变化而变化的晶体n（4）反铁电体：反极性长程有序的晶体，宏观上不存在自发极化的反极性晶体返 回本讲稿第三十四页，共三十六页2 2PbZrO3PbZrO3反铁电有哪些主要特点？（掌握）反铁电有哪些主要特点？（掌握）n（1）一般地无电滞回线n（2）可随电场、温度、应力的变化而产生铁-反间的相变，并产生双电滞回线n（3）在居里点出发生相变时，介电系数急剧增加，热力学函数反常增加 返 回本讲稿第三十五页，共三十六页4.5 铁电晶体的热力学理论铁电晶体的热力学理论返 回本讲稿第三十六页，共三十六页