材料的介电性能--铁电性（四）一e测试

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材料的介电性能--铁电性（四）

2021-12-30 16:38:34 0 779

概述

由于介质的内在结构、其中的束缚原子或离子以及束缚电子的运动等的影响，使其具有可供利用的性质，例如电致伸缩、压电性、热释电性、铁电性等，从而引起了广泛的研究。一般认为铁电体与绝缘体有关，但近年来研制成功了铁电半导体，在室温时，的铁电相是一种导电的半导体;当温度升高到铁电居里点转变为顺电相时其电阻突然升高五、六个数量级而成为绝缘体。这种具有正温度系数的材料用来制成加热器可同时兼具恒温作用，成为复合功能器件而得到广泛的应用。

介质的介电性、压电性、热释电性、铁电性的关系如图6.1。

铁电体

铁电体的一般特征

铁电体是电介质材料中一个很重要的分支，它是一种特殊相变的产物。在从高对称性转变为低对称性的过程中，伴随着发生自发极化或亚点阵极化。极化强度与外电场之间的关系构成电滞回线。

铁电体微观结构的上述特点决定了它有许多特殊的宏观性质，从而区别于普通电介质。

所谓铁电性通常是指铁电体的微观结构性质，以及因此而可能显示出来的宏观性质。存在电滞回线、电畴结构、自发极化以及相应的晶胞形变(自发应变)、居里点、居里外斯定律等是一般公认的铁电性可能表露出来的最重要的几种宏观性质。下面概括地介绍电介质的各种宏观铁电性质。

铁电畴

铁电晶体晶胞中的电偶极矩是电介质在转变为铁电体时自发出现的,虽有若干种可能取向，但其数值为一定。这个电矩的数值除以晶胞的体积所得到的商称为自发极化强度P_s。

通常一个自然形成铁电单晶或铁电陶瓷晶粒中出现许多微小的区域:每个区域中所有晶胞的电矩取向相同;而相邻区域的电矩取向不同。这样的区域称为电畴。

电畴可用一些实验和测试方法观察到，例如可用弱酸溶液侵蚀晶体表面。由显微观察可以看到多晶陶瓷中每个小晶粒可包含多个电畴。

当电介质的晶胞自发极化而出现电矩时，相邻晶胞的电矩可以同向排列形成电畴，并出现铁电性;也可以相间反向排列而成为反铁电性。

1.畴壁取向

一般说来，如果铁电晶体种类已经明确，则其畴壁的取向就可确定。电畴壁的取向可由下列条件来确定：

a）晶体形变

电畴形成的结果使得沿畴壁而切割晶体所产生的两个表面是等同的（即使考虑了自发形变）。

b）自发极化

两个相邻电畴的自发极化在垂直于畴壁方向的分量相等。

如果条件（a）不满足，则电畴结构会在晶体中引起大的弹性应变。若条件（b）不满足，则在畴壁上会出现表面电荷，从而增大静电能，在能量上是不稳定的。

电畴结构与晶体结构有关。BaTiO的铁电相晶体结构有四方、斜方、菱形三种晶系，它们的自发极化方向分别沿[001]，[011]，[111]方向，这样，除了90°和180°畴壁外，在斜方晶系中还有60°和120°畴壁，在菱形晶系中还有71°，109°畴壁。

2.电畴转向

铁电畴在外电场作用下，总是要趋向于与外电场方向一致，称作电畴“转向”。电畴转向是通过在外电场作用下新畴的出现、发展以及畴壁的移动来实现的。实验发现，在电场作用下，180°畴的“转向”是通过许多尖劈形新畴的出现、发展而实现的，尖劈形新畴迅速沿前端向前发展。对90°畴的“转向”虽然也产生针状电畴，但主要是通过90畴壁的侧向移动来实现的。实验证明，这种侧向移动所需要的能量比产生针状新畴所需要的能量还要低。一般在外电场作用下（人工极化）180°电畴转向比较充分；同时由于“转向”时结构畸变小，内应力小，因而这种转向比较稳定。而90度电畴的转向是不充分的，所以这种转向不稳定。当外加电场撤去后，则有小部分电畴偏离极化方向，恢复原位，大部分电畴则停留在新转向的极化方向上，这叫剩余极化。

3.分类

具有铁电性的晶体可按照结晶状态、极化轴、相态、微观结构、维度模型等标准进行分类。

结晶状态

a）含有氢键的晶体

b）双氧化物晶体

极化轴

a）沿一个晶轴方向极化的铁电体

b）沿几个晶轴方向极化的铁电晶体

非铁电相

a）非铁电相无对称中心：钽铌酸钾（KTN）和磷酸二氢钾（KDP）族的晶体。由于无对称中心的晶体一般是压电晶体，故它们都是具有压电效应的晶体；

b）非铁电相时有对称中心：不具有压电效应，如BaTiO、TGS（硫酸三甘肽）以及与它们具有相同类型的晶体。

微观结构

a）位移型转变的铁电体：这类铁电晶体的转变是与一类离子的亚点阵相对于另一亚点阵的整体位移相联系。属于位移型铁电晶体的有BaTiO、LiNbO等含氧的八面体结构的双氧化物；

b）有序-无序型转变的铁电体：其转变是同离子个体的有序化相联系的．有序-无序型铁电体包含有氢键的晶体，这类晶体中质子的运动与铁电性有密切关系。如磷酸二氢钾（KDP）及其同型盐就是如此。

维度模型

a）“一维型”――铁电体极性反转时，其每一个原子的位移平行于极轴。

b）“二维型”――铁电体极性反转时，各原子的位移处于包含极轴的平面内。

c）“三维型”――铁电体极性反转时在所有三维方向具有大小相近的位移。

应用

1.信息存储

基于铁电性中的电滞现象，可利用铁电畴在电场下反转形成高极化电荷，或无反转形成低极化电荷来判别存储单元是在”1”或“0”状态，进而制作铁电存储器。

2.光学元件

由于铁电体有剩余极化强度，因而可用于图象显示。当前已经研制出一些透明铁电陶瓷器件，如显示器件、光阀，全息照相器件等，就是利用外加电场使铁电畴作一定的取向，当前得到应用的是掺镧的锆钛酸铅（PLZT）透明铁电陶瓷以及BiTiO铁电薄膜。

由于铁电体的极化随E而改变。因而晶体的折射率也将随E改变。这种由于外电场引起晶体折射率的变化称为电光效应。利用晶体的电光效应可制作光调制器、晶体光阀、电光开关等光器件。当前应用到激光技术中的晶体很多是铁电晶体，如LiNbOLiTaO、KTN（钽铌酸钾）等。

3.电子元件

强非线性铁电陶瓷可以用于制造电压敏感元件、介质放大器、脉冲发生器、稳压器、开关、频率调制等方面。已获得应用的材料有BaTiO-BaSnO，BaTiO-BaZrO等。

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