压电铁电物理王春雷yd0901.ppt

压电铁电物理王春雷yd0901 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望2课程网站：课程网站：http:/ 西安交通大学西安交通大学电介质物理电介质物理课程网站：课程网站：http:/ ceramicsRelationship of 5山东大学电介质物理之特色山东大学电介质物理之特色功能电介质物理压电铁电物理制备、物性、测量基础研究器件研发（不同于材料、工程和化学专业的学生，有物理背景）传统电介质物理四大问题：极化 polarization损耗 loss弛豫 relaxation击穿 breakdown老化 aging?6课程内容简介课程内容简介v晶体结构晶体结构v介电性质介电性质v弹性性质弹性性质v压电性质压电性质v铁电性质铁电性质v宏观理论宏观理论v微观理论微观理论v电畴结构电畴结构v介电响应介电响应v应用简介应用简介7Key syllabusvCrystal structure and basic conceptsvDielectric propertyvElastic propertyvPiezoelectricityvFerroelectricityvThermodynamic theoryvMicroscopic theoryvDomain structure vOptical propertyvA8压电材料的发展历史压电材料的发展历史v18801880年，居里兄弟首先发现电气石的压电效年，居里兄弟首先发现电气石的压电效应，从此开始了压电学的历史。应，从此开始了压电学的历史。18811881年，居里兄弟实验验证了逆压电效应，年，居里兄弟实验验证了逆压电效应，给出石英相同的正逆压电常数。给出石英相同的正逆压电常数。v18941894年，年，VoigtVoigt指出，仅无对称中心的二十种指出，仅无对称中心的二十种点群的晶体才有可能具有压电效应，石英是点群的晶体才有可能具有压电效应，石英是压电晶体的一种代表，它被取得应用。压电晶体的一种代表，它被取得应用。9v第一次世界大战，居里的继承人郎之万，最先利第一次世界大战，居里的继承人郎之万，最先利用石英的压电效应，制成了水下超声探测器，用用石英的压电效应，制成了水下超声探测器，用于探测潜水艇，从而揭开了压电应用史篇章。于探测潜水艇，从而揭开了压电应用史篇章。v压电材料及其应用取得划时代的进展应归咎于第压电材料及其应用取得划时代的进展应归咎于第二次世界大战中发现了二次世界大战中发现了BaTiOBaTiO3 3陶瓷，陶瓷，19471947年，美年，美国国RobertsRoberts在在BaTiOBaTiO3 3陶瓷上，施加高压进行极化处陶瓷上，施加高压进行极化处理，获得了压电陶瓷的电压性。随后，日本积极理，获得了压电陶瓷的电压性。随后，日本积极开展利用开展利用BaTiOBaTiO3 3压电陶瓷制作超声换能器、高频压电陶瓷制作超声换能器、高频换能器、压力传感器、滤波器、谐振器等各种压换能器、压力传感器、滤波器、谐振器等各种压电器件的应用研究，这种研究一直进行到电器件的应用研究，这种研究一直进行到5050年代年代中期。中期。1019551955年，美国年，美国B.JaffeB.Jaffe等人发现了比等人发现了比BaTiOBaTiO3 3压电压电性更优越的锆钛酸铅固溶体（性更优越的锆钛酸铅固溶体（PbZrPbZrx xTiTi1-x1-xO O3 3，PZTPZT）压电陶瓷，促使压电器件的应用研究又大）压电陶瓷，促使压电器件的应用研究又大大地向前推进了一大步。大地向前推进了一大步。BaTiOBaTiO3 3时代难于实用时代难于实用化的一些用途，特别是压电陶瓷滤波器和谐振化的一些用途，特别是压电陶瓷滤波器和谐振器，随着器，随着PZTPZT的问世，而迅速地实用化，应用声的问世，而迅速地实用化，应用声表面波（表面波（SAWSAW）的滤波器、延迟线和振荡器等）的滤波器、延迟线和振荡器等SAWSAW器件，在七十年代后期也取得了实用化。器件，在七十年代后期也取得了实用化。11上世纪上世纪7070年代初期，人们在锆钛酸铅材料二元系年代初期，人们在锆钛酸铅材料二元系配方配方Pb(ZrPb(Zr，Ti)OTi)O3 3大基础上又研究了加入第三元大基础上又研究了加入第三元改性的压电陶瓷三元系配方，如铌镁酸铅系为改性的压电陶瓷三元系配方，如铌镁酸铅系为Pb(MgPb(Mg1/31/3NbNb2/32/3)(ZrTi)O)(ZrTi)O3 3，可广泛用于拾音器、微，可广泛用于拾音器、微音器、滤波器、变压器、超声延迟线及引燃引爆音器、滤波器、变压器、超声延迟线及引燃引爆方面。如铌锌酸铅系方面。如铌锌酸铅系Pb(ZnPb(Zn1/31/3NbNb2/32/3)(ZrTi)O)(ZrTi)O3 3，主，主要用来制造性能优良的陶瓷滤波器及机械滤波器要用来制造性能优良的陶瓷滤波器及机械滤波器的换能器。的换能器。12再后来，人们又在三元系压电陶瓷配方基础上又再后来，人们又在三元系压电陶瓷配方基础上又研究了四元系压电陶瓷材料，如研究了四元系压电陶瓷材料，如:Pb(NiPb(Ni1/31/3NbNb2/32/3)(Zn)(Zn1/31/3NbNb2/32/3)(ZrTi)O)(ZrTi)O3 3，Pb(MnPb(Mn1/21/2NiNi1/21/2)(Mn)(Mn1/21/2ZrZr1/21/2)(ZrTi)O)(ZrTi)O3 3等，可用来制等，可用来制造滤波器和受话器等。造滤波器和受话器等。二十世纪九十年代，二十世纪九十年代，PMN-PTPMN-PT单晶的成功制备，并单晶的成功制备，并发现其优异的机电性能，使这类材料的研究又形发现其优异的机电性能，使这类材料的研究又形成了一个新的高潮。成了一个新的高潮。13铁电材料的发展历史铁电材料的发展历史v铁电体铁电体 FeRROELECTRICS,FeRROELECTRICS,铁铁 FeFev1665 Seignette Rochelle,1665 Seignette Rochelle,合成合成:酒石酸钾酒石酸钾钠钠NaKCNaKC4 4H H4 4O O6 64H4H2 2O Ov1920 Valasek,1920 Valasek,罗息盐罗息盐,Rochelle Salt,Rochelle Salt,奇奇异介电特性异介电特性,Rochelle-electricity,Rochelle-electricity,Seignette-electricity at Europe Seignette-electricity at Europe Journals,HJournals,H2 2O plays role?O plays role?v1920-1939 1920-1939 磷酸二氢钾磷酸二氢钾 KHKH2 2POPO4 4(KDP),(KDP),共共性性:氢键氢键 H-bondH-14v1940-1958 1940-1958 唯象理论唯象理论,BaTiOBaTiO3 3等等,二次世界大二次世界大战战WWII,WWII,水听器水听器,铁电性一词出现铁电性一词出现,与铁磁性与铁磁性相似相似,磁滞回线磁滞回线,日文日文 强诱电性强诱电性v1959-19701959-1970s s 软模理论软模理论 Soft modes,Soft modes,Pb(ZrPb(Zrx xTiTi1-x1-x)O)O3 3(PZT)(PZT)系列压电陶瓷，其它实用系列压电陶瓷，其它实用性的压电材料系列不断被发现性的压电材料系列不断被发现v19801980s stoday,today,军用军用-民用，新材料，新现民用，新材料，新现象，新应用，如：铁电移相器，象，新应用，如：铁电移相器，FeRAM FeRAM 铁电存铁电存储器储器15History in briefv1665 Seignette Rochelle,first synthesized of salt NaKC4H4O64H2Ov1920 Valasek,Rochelle Salt(RS),unusual behavior of dielectric property,Rochelle-electricity,Seignette-electricity Europe Journalsv1920-1939 KH2PO4(KDP),both RS and KDP have H-16v1940-1958 phenomenological theory,discovered BaTiO3 etc,WWII,hydrophone,term FERROELECTRICITY appeared,analog to Ferromagnetism,hysteresis loopv1959-1970s concept of Soft Modes,Pb(ZrxTi1-x)O3(PZT)based piezoelectricsv1980s today,military to domestic 17国内概况国内概况v二十世纪五十年代，上海交通大学开设电介质物二十世纪五十年代，上海交通大学开设电介质物理课程，陈季丹理课程，陈季丹v山东大学压电铁电陶瓷教研室（山东大学压电铁电陶瓷教研室（19761976），），电介电介质教研室质教研室 1986 1986v中科院物理所，上海硅酸盐研究所中科院物理所，上海硅酸盐研究所,山东大学晶山东大学晶体材料研究所，中科院福建物质结构研究所，四体材料研究所，中科院福建物质结构研究所，四川压电与器件研究所川压电与器件研究所v西安交通大学西安交通大学,清华大学清华大学,中山大学中山大学,同济大学同济大学,浙江大学，天津大学，四川大学，湖北大学，陕浙江大学，天津大学，四川大学，湖北大学，陕西师范大学，武汉理工大学，上海交通大学等西师范大学，武汉理工大学，上海交通大学等v企业，国营企业，国营798798厂厂,私营民营企业私营民营企业18最新动态最新动态v铁电聚合物铁电聚合物:PVDF-TrFEPVDF-TrFEv铁电单晶铁电单晶:PMN-PTPMN-PTv铁电薄膜铁电薄膜:FeRAM-FeRAM-集成铁电学集成铁电学integrated integrated ferroelectricsferroelectricsv弛豫铁电体弛豫铁电体:RelaxorRelaxorv微机电系统微机电系统MicroElectricMachenicSystem(MEMS)MicroElectricMachenicSystem(MEMS)v液晶显示液晶显示 liquid crystalsliquid 19学习本课程所需的前续知识学习本课程所需的前续知识v力学：牛顿定律（力学：牛顿定律（NewtonNewtons laws law），），虎克定律虎克定律（HookHooks laws law）,应力、应变和弹性常数应力、应变和弹性常数v电磁学：麦克斯伟方程组，电磁学：麦克斯伟方程组，Maxwell equationsMaxwell equations，物质方程，物质方程，constitute equationconstitute equationv热力学和统计力学热力学和统计力学：热力学函数，自由能热力学函数，自由能v量子力学：波函数，本征态、本征能量量子力学：波函数，本征态、本征能量v固体物理：晶体，点阵和晶格振动固体物理：晶体，点阵和晶格振动v数学物理方法：特殊函数数学物理方法：特殊函数20压电物理部分压电物理部分压电方程组压电方程组材料参量材料参量(介电、弹性、压电介电、弹性、压电)之间的关系之间的关系振动模式和机电转换振动模式和机电转换元件性能分析元件性能分析21参考书籍张沛霖、钟维烈编著，压电材料与器件物理山东科学技术出版社，济南，1997 22铁电体铁电体|自发极化自发极化实际实际应用应用晶体晶体结构结构基本现象基本现象早期理解早期理解热力学热力学理论理论微观机制微观机制软模概念软模概念介电响应介电响应畴结构和极畴结构和极化反转过程化反转过程热释电效应热释电效应铁电物理部分铁电物理部分23参考书籍精装版，精装版，1996平装版，平装版，24参考书籍殷之文 主编，电介质物理学 科学出版社，北京，1989年7月 第一版2003年5月 第二版 25学习本课程所需的固体物理知识学习本课程所需的固体物理知识第一章第一章26晶体结构和基本概念晶体结构和基本概念v晶态和非晶态晶态和非晶态v晶体的物理模型：点阵与基元，晶格晶体的物理模型：点阵与基元，晶格v晶向、晶面和米勒指数晶向、晶面和米勒指数v七大晶系和十四中布拉菲格子七大晶系和十四中布拉菲格子v对称性和点群对称性和点群v晶体中的三十二个点群晶体中的三十二个点群v晶轴和坐标系的选择晶轴和坐标系的选择 27晶体的外形：以石英为例28Quartz crystal理想石英外形：理想石英外形：分为左旋石英和分为左旋石英和右旋石英晶体右旋石英晶体成分：成分：SiOSiO2 29晶面角守恒定律 同一品种的晶体，不论其外形如何，两个相应晶面之间的夹角保持不变。这个普遍规律被概括为:晶面角守恒定律。由于外界条件的不同，晶体在生长过程中，这个晶面比那个晶面可能生长地更快些，甚至有的晶面在外形上并不出现，但两个对应晶面之间的夹角总是不变。30例如，石英晶体中的两个例如，石英晶体中的两个m m面之间的夹角面之间的夹角总是总是120120 0000，r r面和面和s s面之间的夹角总面之间的夹角总是是113113 0808。晶面守恒定律的发现对于结晶学的发展起晶面守恒定律的发现对于结晶学的发展起了很大的促进作用。例如，从晶面角之了很大的促进作用。例如，从晶面角之间的关系导致晶体对称性概念的产生。间的关系导致晶体对称性概念的产生。31不一定是这样的：规则外形=规则微结构v晶体一般有规则的外形。如石英、钻晶体一般有规则的外形。如石英、钻石、石、NaClNaCl、雪花、冰等。雪花、冰等。X X射线衍射射线衍射可以得到一系列分立尖锐的峰。一般可以得到一系列分立尖锐的峰。一般有固定的溶点。有固定的溶点。v非晶材料没有规则的外形。如普通玻非晶材料没有规则的外形。如普通玻璃、石蜡、沥青、琥珀等。璃、石蜡、沥青、琥珀等。X X射线衍射线衍射只能观察到一个宽化的弥散的峰。射只能观察到一个宽化的弥散的峰。没有一个确切的溶解温度。没有一个确切的溶解温度。32晶态与非晶态：微观结构晶态与非晶态：微观结构非晶态非晶态SiO33非晶态和晶态界面非晶态和晶态界面a-amorphousc-34晶态：原子或离子周期性重复排列的状态。晶态：原子或离子周期性重复排列的状态。晶体：处于晶态的固体材料。晶体：处于晶态的固体材料。以硅（以硅（SiSi）为例：非晶硅，单晶硅，多晶硅为例：非晶硅，单晶硅，多晶硅单晶硅：制造各种半导体芯片的原料单晶硅：制造各种半导体芯片的原料非晶硅：太阳电池板，成本低非晶硅：太阳电池板，成本低多晶硅：陶瓷材料，每个小颗粒是单晶多晶硅：陶瓷材料，每个小颗粒是单晶35物理简化物理简化v晶体晶体=点阵点阵+基元基元v基元：原子、离子、原子团，分子集团基元：原子、离子、原子团，分子集团等等v点阵：用一个几何点表示上述基元后，点阵：用一个几何点表示上述基元后，晶体所构成的点子阵列晶体所构成的点子阵列v点阵是无限大沿三维周期性排列的点子点阵是无限大沿三维周期性排列的点子v用直线以某种方式把点子连接起来所形用直线以某种方式把点子连接起来所形成的格子称为成的格子称为晶格晶格。（晶格动力学）。（晶格动力学）37点阵示例38晶格示例39晶格示例40原胞，晶胞（cell）v为了研究方便，选取一个重复单元：原胞或叫晶胞v原胞的选取的方式可以有很多种，通常以下二种原胞最为常见v考虑对称性，更全面地了解晶体性质：晶体学原胞晶体学原胞v最小重复单元，理论研究方便：固体物固体物理学原胞理学原胞41二维点阵和原胞二维点阵和原胞42三维点阵和原胞三维点阵和原胞43基矢（基矢（Basis VectorBasis Vector）问题：相同的格子，不同原胞的选取方式，基矢不同！问题：相同的格子，不同原胞的选取方式，基矢不同！44晶系和晶系和布喇菲布喇菲格子格子v通常描写晶胞的六个通常描写晶胞的六个物理量是三个基矢的物理量是三个基矢的长度和基矢之间的夹长度和基矢之间的夹角，如图所示角，如图所示va a，b b，c c，通通常又称为晶格常数，常又称为晶格常数，可以由可以由x x射线确定射线确定v根据根据a a，b b，c c，的不同，晶格可的不同，晶格可分为七大晶系和十四分为七大晶系和十四种布喇菲格子种布喇菲格子45七大晶系七大晶系 seven systemsseven systems晶系名称晶系名称 晶轴上的周期晶轴上的周期 晶轴间的夹角晶轴间的夹角 三斜晶系abc90单斜晶系abc=90，90正交晶系abc=90四方晶系a=bc=90六角晶系a=bc=90，=120三角晶系a=b=c=90立方晶系a=b=c=46布喇菲格子布喇菲格子 Bravais LatticesBravais Lattices属于每一晶系的空间格子，因为重复单元所包括的点子（格点、结点）不同，又可分为一种或几种类型。这样，七个晶系中共有14种重复单元，通常称为14种布喇菲格子。14种布喇菲格子中，按每个格子所包含的结点数目，又可分为原始格子、底心格子、体心格子和面心格子四种。47十四种布喇菲格子十四种布喇菲格子三斜：简单三斜：简单单斜：简单，底心单斜：简单，底心正交：简单，体心，面心，底心正交：简单，体心，面心，底心四方：简单，体心四方：简单，体心六角：简单六角：简单三角：简单三角：简单立方：简单，体心，面心立方：简单，体心，面心问题：为什么没有四方面心和底心格子？立方问题：为什么没有四方面心和底心格子？立方没有底心格子？没有底心格子？4814 Bravais Lattices14 Bravais LatticesvTriclinic:simplevMonoclinic:simple,side-centeredvOrthorhombic:simple,body-centered,face-centered,side-centeredvTetragonal:simple,body-centeredvHexagonal:simplevTrigonal:simplevCubic:simple(sc),body-centered(bcc),face-centered(fcc)50体心立方格子（体心立方格子（bccbcc）lBody-centered-cubicl每个原胞有2格点51面心立方格子（面心立方格子（fccfcc）lface-centered-cubicl每个原胞有4格点52晶棱与晶向晶棱与晶向 edge&direction由于晶体结构的周期性，晶格中各格点由于晶体结构的周期性，晶格中各格点的周围情况都是一样的，因此通过任意的周围情况都是一样的，因此通过任意两个格点作一条直线，则在直线上所有两个格点作一条直线，则在直线上所有格点的周期相同，这样的直线称为晶棱。格点的周期相同，这样的直线称为晶棱。再通过其它格点还可以做许多与此晶棱再通过其它格点还可以做许多与此晶棱平行的直线，这些平行直线组成一个晶平行的直线，这些平行直线组成一个晶棱族。同一晶棱的方向相同，而且能把棱族。同一晶棱的方向相同，而且能把所有点子包括无遗所有点子包括无遗 。53图1-54通过同一格点还可沿不同方向作无限多晶通过同一格点还可沿不同方向作无限多晶棱，如图棱，如图1-91-9中通过中通过O O的晶棱有的晶棱有1 1、2 2、3 3、4 4、5 5等等，其中每一个晶棱都有一组晶棱与之等等，其中每一个晶棱都有一组晶棱与之对应，就是说，可以做无限多个晶棱族，对应，就是说，可以做无限多个晶棱族，各族晶棱可以通过取向不同而加以区别。各族晶棱可以通过取向不同而加以区别。晶棱的取向也简称晶向。只要表出了晶向，晶棱的取向也简称晶向。只要表出了晶向，该组晶棱的特点也就知道了。该组晶棱的特点也就知道了。55图1-56表示晶向的方法表示晶向的方法 取格点O为原点，a a、b b、c c为晶胞的三个基矢，则其它任一格点A的位置矢量为式中l1、l2、l3为整数（或有理数）。取l1、l2、l3的互质比，即l1：l2：l3来表示晶棱OA的方向，通常不直接用比例记号，该用l1l2l3记号表示之。57例如在图1-9中，晶棱1上A点为l1=1，l2=1，l3=0；B点为l1=2，l2=2，l3=0；比值为：l1：l2：l3=1：1：0=2：2：0，由此可得晶棱1的方向为110。同理可得晶棱2的方向为320，晶棱4的方向为3 0，其中记号“”代表“-1”。以及a a、b b、c c轴的方向为100、010、001（c c轴与图平面垂直，未画出）58晶面与晶面指数晶面与晶面指数 晶格中，还可以从各个方向上划分成无限晶格中，还可以从各个方向上划分成无限多平面族，即晶面族，如图多平面族，即晶面族，如图1-101-10所示。一所示。一族晶面中，彼此距离相等，方向相同，格族晶面中，彼此距离相等，方向相同，格点在晶面上的分布也相同。点在晶面上的分布也相同。从立体几何中从立体几何中知道，要描述一个平面的方向，就是表示知道，要描述一个平面的方向，就是表示出这个平面在三个坐标轴上的截距，描写出这个平面在三个坐标轴上的截距，描写晶面方向的方法也是如此。晶面方向的方法也是如此。59图1-60选取与晶轴平行的基矢选取与晶轴平行的基矢a a、b b、c c为坐标轴。为坐标轴。假设有一个晶面与此三个坐标轴相交于假设有一个晶面与此三个坐标轴相交于M M1 1、M M2 2和和M M3 3三点（如图三点（如图1-111-11所示），截距分别等所示），截距分别等于：于：OMOM1 1=ra=ra，OMOM2 2=sb=sb，OMOM3 3=tc=tc。在图在图1-111-11中中r=3r=3，s=2s=2，t=1t=1，因为一般晶面一定包含了因为一般晶面一定包含了所有格点，所以截距的长度是一组有理数，所有格点，所以截距的长度是一组有理数，或者说截距的倍数是晶格常数的整数倍，如或者说截距的倍数是晶格常数的整数倍，如果晶面与某一坐标轴平行，则晶面在此坐标果晶面与某一坐标轴平行，则晶面在此坐标轴的截距为无限大（例如，若晶面与轴的截距为无限大（例如，若晶面与b b轴平轴平行，则行，则s=s=）。）。61图1-62密勒指数密勒指数 Miller IndicesMiller Indices为了避免使用无限大，常采用截距倒数的互质整数比，即用:来表示晶面的方向。通常不用比例记号，该用（hkl）记号来表示晶面的方向。（hkl）称为晶面指数，或称为米勒（Miller）指数。63如图1-11中的晶面指数为:即M1M2M3面的米勒指数为（236）。有时也称M1M2M3面为（236）晶面。64图1-12画出了用米勒指数表示的一些晶面，在此图中，c轴与图面垂直。从图中还可以看出米勒指数越小的晶面，晶面之间的距离越大，晶面上的原子密度也越大，晶体越容易沿这些晶面裂开。图1-13中画出了一些常用的米勒指数。65图1-66图1-67六角晶系中的晶面指数v以上所讨论的表示晶向和晶面的方法，对于所有的的晶体都适用。v但是在六角晶系中，如果仍采用三个基矢a a、b b、c c（如图1-14a所示）的方法，则很难反映出六角晶系的对称性，给工作带来不方便。v因此在结晶学中，往往采用专为六角晶系而设立的按四个晶轴的定向方法，晶向和晶面指数都是用四个指数。68图1-69六角晶系的四个晶轴为a、b、c、d，其中a、b、d轴在同一个平面上，互成120的夹角；c轴则垂直于该平面。米勒指数为（hkil）的形式。如图1-14b所示。其中h、k、i、l为该晶面在坐标轴上的截距倒数的互质整数比。70图1-71v例如，晶面ABD与a轴和c轴平行，在b轴上截距为1b，在d轴上截距为-d，故得晶面ABD的米勒指数为（01 0）。从图1-14b还看出，各晶面指数存在这样的规律，即h+k+i=0，就是说，在h、k、i中，只要知道其中两个即可确定第三个。v此外，在三角晶系中，也时常采用四个晶轴的定向方法。72SummarySummaryvBrief introduction to the background of Brief introduction to the background of Piezoelectrics and FerroelectricsPiezoelectrics and FerroelectricsvTo learn crystals and non-crystalsTo learn crystals and non-crystalsvWhy do we need lattice?Why do we need lattice?vCell and basis vectorCell and basis vectorv7 7 systems and 14 Bravais latticessystems and 14 Bravais lattices