第六章铁电体性能及其微结构01

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1、1第六章第六章 材料的介电特性材料的介电特性 将大部分非金属材料插入两个导体之间，会起分隔作用，既材料中不会产生电荷的长程迁移，但存在电荷的短程位移与运动。这类能产生电荷的短程位移与运动材料称为电介质材料。 材料的介电性能主要描述与电荷的短程位移与运动相关的物理性能。 6.1 电介质基本概念电介质基本概念2一、极化 电 介质在外加电场Ev/m作用下，正负电荷中心将发生偏移，即产生电偶极矩pcm。 单位体积中电偶极矩的总和称为极化强度PC/m2。即电介质中的电荷短程位移将抵消部分外电场。 3 总电荷中的自由电荷部分将构成一个与外电场同相的电场，被极化抵消的另一部分电荷构成一与外电场反向的电场，这

2、一部分电荷称为束缚电荷。4 极化强度P可理解为束缚电荷的表面电荷密度其等价于电介质单位体积中的偶极矩，即： P = N p P= E - 0 E = 0 E （ / 0 -1） K = / 0 为极化率，反映存储电荷能力的大小。 用电场强度E与极化强度P的和来表示总的电通量密度即电位移D。 D =0 E + P = E单位体积中的偶极子个数介电常数5二、极化机理二、极化机理电子极化：起源子电子云的中心在外电场作用下与原于核产生相对位移。离子极化：离子极化起源于正负离子的相对位移。+-+_6取向极化：永久电偶极矩没有电场作用时即存在，在外电场作用下趋于定向排列，从而导致取向极化增大。空间极化：起

3、因于可动电荷的不均匀分布。负电荷正电荷7 总的极化率为各种极化的贡献之叠加：k= ke +ki+ ko+ ks 89101112三、 介电弛豫 极化适应外电场频率变化的能力是不一样的。极化子质量较大的空间极化与取向极化，由于惯性大，无法跟随高额电场变化，只在较低频率下起作用。起因于离子位移的离子极化能适应更高的频率(约1013Hz)。电子云的变形引起的电于极化则有极高的适应速度(约1016Hz)。 由于上述原因，介电常数随测试频率增高而单调减少。这一现象称为介电弛豫。豫。 13 离子极化离子极化和和电子极化电子极化均与晶格有着强烈的相互作用，介电常数在特定均与晶格有着强烈的相互作用，介电常数在

4、特定的频率下由于共振而呈极大值，即表现出共鸣型的频率下由于共振而呈极大值，即表现出共鸣型介电弛豫。因此，介电常数。因此，介电常数随频率的变化在微波、红外及紫外频段有异常存在。随频率的变化在微波、红外及紫外频段有异常存在。14四、介电损耗 对于各向同性介质，电场强度E、极化强度P、电通量密度即电位移D的方向保持一致，但对于晶体这三个矢量的方向经常不一致15v 极化不能跟上外电场频率变化而出现介电弛豫，即会产生介电损耗。介电损耗，极化与外介电损耗，极化与外电场的位相差电场的位相差1617 6.2 铁电体、反铁电体与压电体铁电体、反铁电体与压电体 电介质在外加电场作用产生极化，极化强度与宏观电场E

5、成正比，为线性介质线性介质。 没有外电场作用时也存在自发极化的晶体称为极性晶体，自发极化方向能随电场改变的晶体称为铁电体。 铁电体在性能上表现为强烈的电场、温度与频率敏感性。铁电体的极化强度P(或电位移D)与电场强度E之间存在强烈非线性关系非线性关系(即电滞回线)。一、铁电体一、铁电体P的变化落后于E，具有剩极化，即电滞效应起始极化曲线opops s；剩极化强度Pr饱和极化强度Ps矫顽电场-Ec 电滞回线-不可逆过程 铁电体在交变电场的作用下，它的尺寸形状会随之变化，形成电致伸缩。-EcEcEPrPPsO 畴结构 畴是原子或离子极化子有序排列的区域。通常每个畴内原子或离子作周期性重复排列，畴与

6、畴之间有边界畴壁。畴的大小、形貌、取向和对称性取决于材料的内禀性质（如交换能、各向异性能、形变能和缺陷等）及外场和温度的变化。 铁电畴：相邻两畴的自发极化方向呈反平行方向排列的畴称铁电畴：相邻两畴的自发极化方向呈反平行方向排列的畴称180度畴，相度畴，相邻两畴的自发极化方向呈邻两畴的自发极化方向呈90度称度称90度畴，其间的畴壁分别称度畴，其间的畴壁分别称180度和度和90度畴壁。度畴壁。由于晶粒取向是随机的，在没有外电场时，整个晶体宏观上不显示电偶极矩。由于晶粒取向是随机的，在没有外电场时，整个晶体宏观上不显示电偶极矩。二、二、 铁电相变铁电相变 铁电体对应于一类典型的相变，即从高温相(顺电

7、相)转变成有自发极化的低温相(铁电相)，这一相变温度即为curie温度。这里，高温相为高对称性的非极性相，而低温相为非中心对称的极性相。 沿一个晶轴方向极化从顺电相到铁电相的过渡时无序有序相变。 可以沿几个晶轴极化，为位移型相变，从顺电相到铁电相的过渡是两个子晶格之间发生位移。 三、铁电体的发现三、铁电体的发现 1920年发现酒石酸钾钠NaK（C4H4O64H2O）类似于磁滞回线的电滞回线。 1935年至1938年，发现磷酸二氢钾（KDP）也具有类似于酒石酸钾钠特殊介电行为，KDP具有压电效应，是无序有序相变的软铁电体，在二次大战期间在水声方面得到了广泛应用。 1945年科学家找到了室温相对介

8、电常数高达1000-3000的钛酸钡（BT）陶瓷。报道了BT陶瓷的铁电性是位移型的硬铁电体。 BT晶体具有钙钛矿结构，每个晶胞只有5个原子，具有此种结构的铁电体在目前已发现的一千多种铁电晶体中所占分额最大。 四、铁电晶体结构 铁电陶瓷从晶体结构上看，主晶相具有每个晶跑内部因正负电荷的中心不重合正负电荷的中心不重合，产生了自发极化自发极化，形成偶极子。众多极化方向相同的晶胞构成了电畴，电畴又构成了晶粒。五、五、 反铁电体反铁电体 对于某些离子晶体，自发极化反向排列较之平行排列时，极化子的相互作用能更低，因而趋于反向排列。这类晶体成为反铁电体，其P- E关系为双电滞回线。 材料在电场达到某一临界值

9、之前表现为线性关系，而超过临界电场后则出现电滞回线。这一现象对应于电场诱导的铁电反铁电相变。如三氧化钨，锆酸铅六、压电体六、压电体 某些晶体(无对称中心)在应力场X作用下，会产生极化 。相反，这类晶体在电场作用下则产生位移。上述现象分别称为压电效应与逆压电效应，这类晶体称为压电体。压电效应可表示为： P = E+dX x = dE+sX（一）石英晶体的压电效应（一）石英晶体的压电效应天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴ZZ称为称为光轴光轴；经过正六

10、面体棱线，并垂直于光轴的；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的XX轴称为轴称为电轴电轴；与；与XX轴和轴和ZZ轴同时垂直的轴同时垂直的YY轴轴（垂直于正六面体的棱面）称为（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴机械轴。ZXY(a)(b)石英晶体(a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系ZYX通常把沿电轴通常把沿电轴XX方向方向的力作用下产生电荷的的力作用下产生电荷的压电效应称为压电效应称为“纵向压纵向压电效应电效应”，而把沿机械，而把沿机械轴轴YY方向的力作用下方向的力作用下产生电荷的压电效应称产生电荷的压电效应称为为“横向压电效应横向压电效应”，沿光轴沿光轴ZZ方向受力则方向受力则不产生压电效应。不产生压

11、电效应。 石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。组成石英晶体的硅离子组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子和氧离子O2-在在Z平面投影，平面投影，如图如图(a)。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图(b)中正六边形排列，图中中正六边形排列，图中“”代表代表Si4+，“”代表代表2O2-。 (b)(a)+-YXXY硅氧离子的排列示意图(a) 硅氧离子在Z平面上的投影（b）等效为正六边形排列的投影+ 当作用力当作用力FX=0时，正、负离子时，正、负离子（即（即Si4+和和2O2-）正好分布在正六边形正好分布在正六边