鐵電材料和反鐵電材料

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1、鐵電材料和反鐵電材料概述鐵電體：某些晶體在一定的溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化，而且其自發(fā)極化方向可以因外電場方向的反向而反向，晶體的這種性質(zhì)稱為鐵電性，具有鐵電性的晶體稱為鐵電體反鐵電體：在一定溫度范圍內(nèi)相鄰離子聯(lián)線上的偶極子呈反平行排列，宏觀上自發(fā)極化強度為零，無電滯回線的材料，稱為反鐵電體典型的鐵電材料鐵電材料概括起來可以分為兩大類：a.一類以磷酸二氫鉀KH2PO4--簡稱KDP--為代表，具有氫鍵，他們從順電相過渡到鐵電像是無序到有序的相變；b.另一類則以鈦酸鋇為代表，從順電相到鐵電相的過渡是由于其中兩個子晶格發(fā)生相對位移典型的反鐵電材料NH4H2PO4型（包括NH4H2AsO

2、4及氘代鹽等）；（NH4）2SO4型（包括NH4HSO4及NH4LiSO4等）；（NH4）2H3IO6型（包括Ag2H3IO6等）；鈣鈦礦型（包括NaNbO3、PbZrO3、PbHfO3等）；RbNO3等。鐵電體和反鐵電體的相同點鐵電體和反鐵電體的不同點電滯回線鐵電體中由于出現(xiàn)疇結(jié)構(gòu)，一般地宏觀極化強度p＝0。當(dāng)外電場E很小時p與E有線性關(guān)系。當(dāng)E足夠大以后，出現(xiàn)p滯后于E而變化的關(guān)系曲線稱為電滯回線。經(jīng)過固定振幅的強交變電場多次反復(fù)極化之后，電滯回線有大致穩(wěn)定的形狀,參見圖。其中的箭頭標(biāo)明回線循環(huán)的方向。當(dāng)E很大時極化趨向飽和，從這部分外推至縱軸的截距p稱為飽和極化強度。E由

3、幅值減小時p略有降低，當(dāng)E＝0時，鐵電體具有剩余極化強度pr；當(dāng)電場反向至E=-Ec時，剩余極化迅速消失，反向電場繼續(xù)增大時極化反向形成大致對稱的回線；Ec稱為矯頑場。電滯回線是判斷鐵電性的重要標(biāo)志。雙電滯回線反鐵電體在轉(zhuǎn)變溫度以下，鄰近的晶胞彼此沿反平行方向自發(fā)極化。反鐵電體一般宏觀無剩余極化強度，但在很強的外電場作用下，可以誘導(dǎo)成鐵電相，其P-E呈雙電滯回線。其在E較小時，無電滯回線，當(dāng)E很大時，出現(xiàn)了雙電滯回線。反鐵電材料與鐵電材料儲能過程當(dāng)施加在鐵電電容器的電場撤掉時，由于鐵電體較大的剩余極化，大部分充電輸入的能量WF被存儲在材料中，只有很小一部分W'F被釋放;而對于反

4、鐵電電容器，當(dāng)電場降為零，極化也降至零，材料不儲存多余能量，除去很小一部分WAF因極化轉(zhuǎn)向發(fā)熱的損耗外，輸入能量的大部分W'AF以電能釋放反鐵電體在足夠電場作用下轉(zhuǎn)變?yōu)殍F電體，這便是一個儲能的過程;當(dāng)電場強度逐步減小到零，鐵電相變?yōu)榉磋F電相，這就是一個釋能過程鐵電體的特性極化強度P和電場強度E有復(fù)雜的非線性關(guān)系，εr不是常量，它隨E變；有電滯現(xiàn)象，在周期性變化的電場作用下，出現(xiàn)電滯回線，有剩余極化強度；當(dāng)溫度超過某一溫度時，鐵電性消失，這一溫度叫做居里（PierreCurie）溫度；鐵電體內(nèi)存在自發(fā)極化小區(qū)，把這種小區(qū)叫做電疇。正是因為存在電疇，鐵電體才具有以上這些獨特的性質(zhì)。

5、鐵電體性質(zhì)鐵電性：在一些電介質(zhì)晶體中，晶胞的結(jié)構(gòu)使正負(fù)電荷重心不重合而出現(xiàn)電偶極矩，產(chǎn)生不等于零的電極化強度，使晶體具有自發(fā)極化，晶體的這種性質(zhì)叫鐵電性。介電性：將某一均勻的電介質(zhì)作為電容器的介質(zhì)而置于其兩極之間，則由于電介質(zhì)的極化，將使電容器的電容量比真空為介質(zhì)時的電容量增加若干倍的性質(zhì)。壓電性：某些介質(zhì)的單晶體，當(dāng)受到定向壓力或張力的作用時，能使晶體垂直于應(yīng)力的兩側(cè)表面上分別帶有等量的相反電荷的性質(zhì)。光電效應(yīng)：物質(zhì)由于吸收光子而產(chǎn)生電的現(xiàn)象。聲電效應(yīng)：通過在半導(dǎo)體中傳播的聲波的作用而產(chǎn)生電動勢的一種現(xiàn)象。熱釋電效應(yīng)：由于溫度的變化引起極化狀態(tài)改變的現(xiàn)象。光折變效應(yīng)：在光場的

6、作用下使材料中的折射率發(fā)生了可逆的變化的現(xiàn)象。理想的鐵電材料需要滿足如下特點：●介電常數(shù)??；●合理的自極化程度；●高的居里溫度；●較小的矯頑場Ec；●化學(xué)穩(wěn)定性要好；●加工均勻性好；●數(shù)據(jù)的保持能力和持久能力要好；●如果是軍方使用的話，還要求能夠抗輻照；●能夠承受一定的擊穿場強；●內(nèi)在開關(guān)速度要快；●易于集成到CMOS工藝中去；●對周圍電路無不良影響；●污染小等。實際鐵電材料存在的問題制備工藝的優(yōu)化工藝機理的研究疲勞問題漏電流問題與集成器件工藝的結(jié)合污染問題鐵電材料的研究現(xiàn)狀鐵電材料具有良好的鐵電性、壓電性、熱釋電性以及非線性光學(xué)等特性,是當(dāng)前國際高新技術(shù)材料中非?；钴S的研究領(lǐng)

7、域之一,其研究熱點正向?qū)嵱没l(fā)展。目前廣泛研究和應(yīng)用的鐵電體主要為含鉛類材料，如PbTiO3(PT)、Pb(Zr1-xTix)03(PZT)、(Pb，La)(Zr，Ti)03(PLZT)等。其中，PZT的優(yōu)良壓電性使之取代傳統(tǒng)的BaTiO3成為應(yīng)用最廣的壓電材料。鐵電材料的應(yīng)用反鐵電體的晶體結(jié)構(gòu)線性介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)特征是沒有自發(fā)極化；鐵電介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)特征是具有很強的自發(fā)極化。反鐵電介質(zhì)陶瓷用途優(yōu)良的儲能材料，利用反鐵電相-鐵電相的相變可作儲能電容器應(yīng)用以PbZrO3為基的反鐵電材料相變場強較高