铁电晶体课件.ppt

电介质物理基础

第四章铁电晶体;以自发极化为核心，以BaTiO3、KH2PO4(KDP)为典型的铁电晶体，结合其晶体结构，从理论上解释、推导出铁电晶体的特征及自发极化的微观机理；并简述铁电体的热力学理论。最后补充介绍反铁电体、热释电体以及压电体的一般概念及应用。

授课思路：

自发极化→电滞回线→铁电体分类→位移型相转变的微观机理→有序-无序型相转变的微观机理→电畴→电畴的极化反转→反铁电晶体→铁电体的热力学

本章需要10～14学时;§4-1铁电晶体的自发极化;注意:;静态条件下无法测量自发极化，其原因：;二、电滞回线;铁电体的极化强度P与电场E是非线性关系，P为E的多值函数，且形成回线。;2.观测电滞回线原理图—Sawyer电路;3.电滞回线的形成：;单晶：

设极化强度的取向只有两种——沿某轴的正向或负向；在没有外电场时，晶体呈电中性，宏观上不呈极化状态，总电矩=0（能量min）

以180°畴为例：当电场作用时，沿电场方向的电畴扩展、变大；与电场反平行方向的电畴变小，或反转为顺电场方向。∴极化强度随外电场增加而增加。如图OA段。

电场强度继续增大，最后晶体电畴方向都趋于电场方向，类似单畴，极化强度达到饱和，相当于图中BC附近部分。此时再增加电场，Ｐ与E成线性关系(似单个弹性偶极子)。

如果E自Ｃ处开始降低，晶体的极化强度亦随之减小。在E=0处，仍存在剩余极化强度Pr。;当电场反向达到-Ec时，剩余极化全部消失。反向电场继续增大，极化强度才开始反向。Ec——矫顽电场强度。

如果Ec大于晶体的击穿场强，那么在极化强度反向前，晶体已被击穿。

将BC段线性部分反向延长至E=0时，在纵轴P上的截距——饱和极化强度或自发极化强度Ps。

实际上Ps是原来每个单畴的自发极化强度，是对每个单畴而言的。

电场减低时，部分电畴由于晶体内应力的作用偏离了极化方向。但当E=0时，大部分电畴仍停留在极化方向，因而宏观上还有剩余极化强度。由此，剩余极化强度Pr是对整个晶体而言。;5.电滞回线的分解说明：;BC段——E继续增加，类似一般的电介质，只是发生电子、离??的位移极化，P-E呈线性关系。

电场减小，P一般不回到零，而是沿C→B→D变化。即使E减小为零，仍有部分电畴保持正方向占优势。晶体出现剩余极化——Pr(OD).

当电场反向时，E达到某一数值（E=OF），P=0。矫顽电场Ec=是极化强度重新为零的电场。

FG段——电场沿反方向继续增大，所有电畴完全沿负方向定向排列，抵达G点——反向自发极化达到饱和。

GH段——类似BC段。

当E在反方向减小且逐渐沿正向变化，按照HGI→BC返回，形成电滞回线。;矫顽场的主要影响因素;结晶各向异性越强，或者说极化反转要求的离子位移越大，矫顽场越高。

例如：室温时BaTiO3的晶轴比c/a?1.02，Ec?105V/m；PbTiO3的晶轴比c/a?1.06，Ec?106V/m。同样，矫顽场随温度的升高而降低。电滞回线消失（Ec变为零）是居里点的标志之一。

极化反转需要一定的时间，因此矫顽场与电场频率有关。低频时，极化反转在较低电场下即可完成。高频时，极化反转没有足够的时间，表现为矫顽场增大。

矫顽场还与样品的厚度有关，这对极化反转器件的设计有实际意义。早期对BaTiO3的研究表明，矫顽场(室温，60Hz)可表示为

式中t为样品厚度，A为常量。;铁电体的特征：

居里温度Curietemperature?c

介电反常Dielectricanomalous

具有高的介电常数，几百~几万

介电常数与电场强度大小有关

P~E的关系为电滞回线（Hysteresiscurve)

铁电体的应用：

电子技术

红外探测技术

超声（和微波声学）技术

固态记忆;1894年Pockels报道了罗息盐具有异常大的压电常数。

1920年Valasek观察到罗息盐晶体(斜方晶系)铁电电滞回线。

1935年、1942年又发现了磷酸二氢钾（KH2PO4）及其类似晶体中的铁电性与钛酸钡（BaTiO3）陶瓷的铁电性。

迄今，已发现的具有铁电性的材料有一千多种。

铁电晶体首先是晶体，但并非所有晶体都是铁电晶体。由固体物理知识已知，晶体结构的32种点群分属于7个晶系。有10种点群晶体具有自发极化，分别：三斜.1；单斜.m和2；正交.2mm；三角.3和3m；六角.6和6mm；四角.4和4mm

都是具有非中心对称的晶体，具有唯一的一个存在自发极化的轴(10个极性点群)。它们都是热释电晶体，但铁电晶体是作为热释电晶体的一个亚族。

有自发极化，但不随E反转——电石(3m)、Zn