第六章 铁电物理与性能学优秀PPT.ppt
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1、第六章 铁电物理与性能学第一页,本课件共有66页基本定义基本定义具有自发极化强度具有自发极化强度,自发极化强度能自发极化强度能在外加电场下反转在外加电场下反转或:具有或:具有电滞回线电滞回线和具有和具有电畴电畴的特点的特点的材料为铁电体的材料为铁电体第二页,本课件共有66页Note:铁电体与铁磁体在其它许多性质上也具有相应的平行类似性,“铁电体”之名即由此而来,其实它的性质与“铁”毫无关系。在欧洲(如法国、德国)常称“铁电体”为“薛格涅特电性”(Seignett-electricity)或“罗息尔电性”(Rochell-electricity)。因为历史上铁电现象是首先于1920年在罗息盐中发
2、现的,而罗息盐是在1665年被法国药剂师薛格涅特在罗息这个地方第一次制备出来。第三页,本课件共有66页主要特征主要特征电滞回线hysteresis loop居里温度Curie temperature Tc介电反常Dielectric anomalous第四页,本课件共有66页铁电畴通常,一个铁电体并不是在一个方向上单一地产生自发极化。但在一个小区域内,各晶胞的自发极化方向都相同,这个小区域称为铁电畴,两畴之间的界壁称为畴壁。铁电畴在外电场作用下,总是要趋向于与外电场方向一致,这形象地称为电畴的“转向”(实际的电畴运动总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)人工极化:人工极
3、化:铁电畴在外电场作用下的“转向”,使得铁电材料具有宏观极化强度,即材料具有“极性”剩余极化:剩余极化:当外电场撤去后,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,使材料仍具有宏观剩余极化强度第五页,本课件共有66页第六页,本课件共有66页电滞现象与电滞回线(以钛酸钡为例)电滞现象与电滞回线(以钛酸钡为例)温度较高时,电极化温度较高时,电极化强度与电场强度成正强度与电场强度成正比。比。温度较低时,电极化强度与电温度较低时,电极化强度与电场强度不成正比,而是滞后于场强度不成正比,而是滞后于电场强度的变化,形成电滞回电场强度的变化,形成电滞回线。线。第七页,本课件共有
4、66页第八页,本课件共有66页电滞回线表明,铁电体的极化强度与外电场之间呈现非线性关系,而且极化强度随外电场反向而反向。极化强度反向是电畴反转的结果,所以电滞回线表明铁电体中存在电畴。第九页,本课件共有66页居里温度居里温度 (Tc,Tc,c c)温度高于c时,晶体不具有铁电性,温度低于c时,晶体呈现出铁电性。通常认为晶体的铁电结构是由其顺电结构经过微小畸变而得,所以铁电相的晶格对称性总是低于顺电相的对称性。如果晶体存在两个或多个铁电相时,只有顺电-铁电相变温度才称为居里点;晶体从一个铁电相到另一个铁电相的转变温度称为相变温度或过渡温度。第十页,本课件共有66页介电反常介电反常铁电体的极化强度
5、和外加电压的关系是铁电体的极化强度和外加电压的关系是非线性非线性的,即其介电常数不是一个常的,即其介电常数不是一个常数,随外电场的增大而增大数,随外电场的增大而增大铁电体的优点:铁电体的优点:介电常数可以很大,介电常数可以很大,r最大可以超过最大可以超过10万,这时制造大容万,这时制造大容量小体积的电容器十分有意义量小体积的电容器十分有意义铁电体的缺点:铁电体的缺点:用作电容器介质材料时,不适宜性也很多。例如:用作电容器介质材料时,不适宜性也很多。例如:随电压变化大随电压变化大产生电致伸缩现象产生电致伸缩现象呈现电滞回线,因而损耗很大呈现电滞回线,因而损耗很大耐电性能差耐电性能差老化严重老化严
6、重第十一页,本课件共有66页居里居里-外斯定律外斯定律Curie-Weiss lawCurie-Weiss law当温度高于居里点时,铁电体的介电常数与温度的关系服从居里-外斯定律:式中:为特征温度,一般低于居里点;C为居里常数;代表电子极化对介电常数的贡献,在过渡温度时,可以忽略。第十二页,本课件共有66页铁电晶体的分类 根据铁电体的极化轴的多少分为两类。根据铁电体的极化轴的多少分为两类。一类是只能沿一类是只能沿一个晶轴方向极化一个晶轴方向极化的铁电体,的铁电体,如罗息盐以及其它酒石酸盐,磷酸二氢钾如罗息盐以及其它酒石酸盐,磷酸二氢钾型铁电体,硫酸铵以及氟铍酸铵等。另一型铁电体,硫酸铵以及氟
7、铍酸铵等。另一类是可以沿类是可以沿几个晶轴方向极化几个晶轴方向极化的铁电体的铁电体(在非铁电相时这些晶轴是等效的),如(在非铁电相时这些晶轴是等效的),如钛酸钡、铌酸钾、钾铵铝矾等。这种分类钛酸钡、铌酸钾、钾铵铝矾等。这种分类方法便于研究铁电畴。方法便于研究铁电畴。第十三页,本课件共有66页铁电相变无序有序型相变铁电体n(涉及到多组元固溶体中两种或多种原子在晶格点阵上排列有序化)n磷酸二氢钾(KDP)为例第十四页,本课件共有66页KDP相变第十五页,本课件共有66页KDP相变()表示(H2PO4)-中的两个质子在磷酸根(PO4)3-四面体四周的排列方式 KDP晶体中与c轴垂直平面内质子的运动方
8、向 第十六页,本课件共有66页KDP相变KDP的铁电性由质子的有序化造成的氢键本身对自发极化强度并无贡献,质子的有序化只是起了协调作用温度低于居里转变温度时,系统的稳定状态为完全极化态。第十七页,本课件共有66页铁电相变位移型相变铁电体n(不涉及化学键的破坏,新相和旧相之间存在明显的晶体学位相关系)n以BaTiO3为例第十八页,本课件共有66页钛酸钡不同温度下的晶胞结构变化示意图 第十九页,本课件共有66页位移型相变铁电体以典型铁电材料以典型铁电材料钛酸钡钛酸钡BaTiO3晶体为例,介绍其自发极化的微观模型晶体为例,介绍其自发极化的微观模型BaTiO3晶体从非铁晶体从非铁电性到铁电性的过渡总电
9、性到铁电性的过渡总是伴随着晶体是伴随着晶体立方立方四方四方的改变,因此提的改变,因此提出了一种出了一种离子位移理离子位移理论论,认为自发极化主,认为自发极化主要是晶体中某些离子要是晶体中某些离子偏离了平衡位置,使偏离了平衡位置,使得单位晶胞中出现了得单位晶胞中出现了电偶极矩造成的电偶极矩造成的第二十页,本课件共有66页出现自发极化的必要条件是:晶体结构不具有对称中心u不具有对称中心的晶体并非都有自发极化效应。CaTiO3属钙钛矿结构,但Ca2+离子半径小,氧八面体空隙小,Ti3+不易移动,因而CaTiO3晶体无自发极化效应第二十一页,本课件共有66页BaTiO3极化机理目前普遍认为:钛酸钡的自
10、发极化是由晶胞中钛离子的位移造成的。n温度高于居里温度时:钛离子的平均热运动能量足温度高于居里温度时:钛离子的平均热运动能量足以克服钛离子位移后形成的内电场对钛离子的定向以克服钛离子位移后形成的内电场对钛离子的定向作用。作用。整个晶胞的等效电偶极矩为零,所以不出现自整个晶胞的等效电偶极矩为零,所以不出现自发极化。发极化。n当温度较低时,钛离子的平均热运动能量位移后因钛氧离当温度较低时,钛离子的平均热运动能量位移后因钛氧离子间的相互作用所形成的内电场,因此就向着某一个氧离子间的相互作用所形成的内电场,因此就向着某一个氧离子产生子产生自发位移,自发位移,从而使这个晶胞出现电偶极矩。从而使这个晶胞出
11、现电偶极矩。第二十二页,本课件共有66页铁电体的物理效应压电效应热释电效应电致伸缩效应光学效应第二十三页,本课件共有66页对晶体对称性的研究,法国居里发现压电效应Pierre Curie was born in Paris,on May 15,1859.Pierre was killed in a street accident in Paris on April 19,1906 第二十四页,本课件共有66页一、压电效应一、压电效应正正压压电电效效应应(顺顺压压电电效效应应):某某些些电电介介质质,当当沿沿着着一一定定方方向向对对其其施施力力而而使使它它变变形形时时,内内部部就就产产生生极极化
12、化现现象象,同同时时在在它它的的一一定定表表面面上上产产生生电电荷荷,当当外外力力去去掉掉后后,又又重重新新恢恢复复不不带带电电状状态的现象。当作用力方向改变时,电荷极性也随着改变。态的现象。当作用力方向改变时,电荷极性也随着改变。逆逆压压电电效效应应(电电致致伸伸缩缩效效应应):当当在在电电介介质质的的极极化化方方向向施施加加电电场场,这这些些电电介介质质就就在在一一定定方方向向上上产产生生机机械械变变形形或或机机械械压压力力,当当外外加加电电场场撤撤去去时时,这这些些变变形形或或应应力力也也随随之之消消失失的的现象。现象。电能电能机械能机械能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应第二十五
13、页,本课件共有66页晶体受外应力产生的压电效应示意图(a)没有外力的原始状态;(没有外力的原始状态;(b)受压应力晶体内部电荷的变化;()受压应力晶体内部电荷的变化;(c)受)受拉应力晶体内部电荷的变化拉应力晶体内部电荷的变化第二十六页,本课件共有66页第二十七页,本课件共有66页(1)压压电电常常数数:衡衡量量材材料料压压电电效效应应强强弱弱的的参参数数,它它直接关系到压电输出的灵敏度。直接关系到压电输出的灵敏度。电位移D与外应力张量T成正比.:D=dT(d为压电矩阵常数)(2)介介电电常常数数:反反映映了了材材料料的的介介电电性性质质(或或极极化化性性质质)。当当压压电电材材料料的的电电行
14、行为为用用电电场场强强度度E和和电电位位移移D作作为为变变量量来来描述时,有描述时,有D=E压电材料的主要特性参数压电材料的主要特性参数第二十八页,本课件共有66页(3)机机械械耦耦合合系系数数:衡衡量量压压电电材材料料机机电电能能量量转转换换效率的一个重要参数。效率的一个重要参数。在在压压电电效效应应中中,其其值值等等于于转转换换输输出出能能量量(如如电电能能)与与输入的能量(如机械能)之比的平方根。输入的能量(如机械能)之比的平方根。压电材料的主要特性参数压电材料的主要特性参数第二十九页,本课件共有66页压电材料的种类压电材料的种类压电材料可以分为两大类压电材料可以分为两大类:压电晶体和压
15、压电晶体和压电陶瓷电陶瓷。第三十页,本课件共有66页压电晶体(1)以KDP-为代表,具有氢键,他们从顺电相过渡到铁电相是无序到有序的相变。(2)以钛酸钡为代表,从顺电相到铁电相的过渡是由于其中两个子晶格发生相对位移。(3)铁电单晶作为压电材料大量使用的主要是LiNbO3和LiTaO3。作为压电材料,它们的特点之一是机电耦合因数大。第三十一页,本课件共有66页压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应 压压电电陶陶瓷瓷属属于于铁铁电电体体一一类类的的物物质质,是是人人工工制制造造的的多多晶晶压压电电材材料料,它它具具有有类类似似铁铁磁磁材材料料磁磁畴畴结结构构的的电电畴畴结结构构。电电畴畴是是分分子子
16、自自发发形形成成的的区区域域,它它有有一一定定的的极极化化方方向向,从从而而存存在在一一定定的的电电场场。在在无无外外电电场场作作用用时时,各各个个电电畴畴在在晶晶体体上上杂杂乱乱分分布布,它它们们的的极极化化效效应应被被相相互互抵抵消消,因因此此原原始始的的压压电电陶瓷内陶瓷内极化强度为零极化强度为零,见图(,见图(a)。)。直流电场E剩余极化强度剩余伸长电场作用下的伸长(a)极化处理前(b)极化处理中(c)极化处理后第三十二页,本课件共有66页(1 1)钛酸钡压电陶瓷钛酸钡压电陶瓷钛钛酸酸钡钡(BaTiO3)是是由由碳碳酸酸钡钡(BaCO3)和和二二氧氧化化钛钛(TiO2)按按1:1分子比
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