材料的铁电性能课件.pptx

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1、一一.铁电体铁电体1.线性介质与非线性介质线性介质与非线性介质1）线性介质）线性介质：有外电场时，介质的极化强度与宏观电场：有外电场时，介质的极化强度与宏观电场E成成正比，这类介质又叫线性介质。正比，这类介质又叫线性介质。极化是介质在外加电场中的性质。没有外加电场时，极化是介质在外加电场中的性质。没有外加电场时，介质的极化强度等于零。介质的极化强度等于零。2）非线性介质）非线性介质：极化强度和外施电压的关系是非线性的介质，：极化强度和外施电压的关系是非线性的介质，叫非线性介质。叫非线性介质。铁电体就是一种典型的非线性介质。铁电体就是一种典型的非线性介质。在铁电体中存在的在铁电体中存在的极化机构

2、极化机构自发极化。自发极化。2.产生铁电性的原因产生铁电性的原因自发极化自发极化1）自发极化：）自发极化：自发极化的极化状态并非由外电场所造成，而自发极化的极化状态并非由外电场所造成，而是由晶体的内部结构特点造成的，晶体中每一个晶胞里存是由晶体的内部结构特点造成的，晶体中每一个晶胞里存在在固有电耦极矩固有电耦极矩，这类晶体通常称为，这类晶体通常称为极性晶体。极性晶体。12)自发极化强度自发极化强度 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。这个数值发出现的，虽有若干种可能取向，但其数值为一定

3、。这个数值除以晶胞的体积所得到的商称为除以晶胞的体积所得到的商称为自发极化强度自发极化强度PS。3)铁电体：铁电体：铁电体是在一定温度范围内含有能自发极化，并铁电体是在一定温度范围内含有能自发极化，并且发极化方向可随外电场作可逆转动的晶体。且发极化方向可随外电场作可逆转动的晶体。当铁电体的晶胞自发极化而出现电矩时，相邻晶胞的电矩当铁电体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。而成为反铁电性。铁电晶体一定是极性晶体，但并非所有的极性晶体都是铁铁电晶体一定是极性晶体，但并非

4、所有的极性晶体都是铁电体。只有某些特殊的晶体结构，在自发极化改变方向时，晶电体。只有某些特殊的晶体结构，在自发极化改变方向时，晶体构造不发生大的畸变，才能产生以上的反向转动。铁电体就体构造不发生大的畸变，才能产生以上的反向转动。铁电体就具有这些特殊的晶体结构。具有这些特殊的晶体结构。铁电体晶体中并不含有铁。铁电体晶体中并不含有铁。3.铁电晶体的种类铁电晶体的种类1）有序）有序-无序铁电体无序铁电体 其自发极化同个别离子的有序化相联系。其自发极化同个别离子的有序化相联系。典型的有序典型的有序-无序型铁电体是含有氢键的晶体。这类晶体中无序型铁电体是含有氢键的晶体。这类晶体中质子的有序运动与铁电性相

5、联系，例如质子的有序运动与铁电性相联系，例如KH2PO4就是如此。就是如此。2）位移型铁电体）位移型铁电体 自发极化同一类离子的亚点阵相对于另一类亚点阵的整体自发极化同一类离子的亚点阵相对于另一类亚点阵的整体位移相联系。位移相联系。位移型铁电体的结构大多同钙钛矿结构及钛铁矿结构紧密位移型铁电体的结构大多同钙钛矿结构及钛铁矿结构紧密相关。相关。钛酸钡是典型的钙钛矿型的铁电体。钛酸钡是典型的钙钛矿型的铁电体。BaTiO4120，立，立方结构，晶体无铁电性；方结构，晶体无铁电性；BaTiO4120，晶体结构产生畸变，晶体结构产生畸变，为四方结构，有铁电性，通常将这种温度称为居里温度或居里为四方结构，

6、有铁电性，通常将这种温度称为居里温度或居里点。点。3BaTiO4相对介电常数与温度的关系铁电体在居里点处，由于自发极化的突变引起介电常数的铁电体在居里点处，由于自发极化的突变引起介电常数的显著变化。显著变化。5铁电电滞回线(Ps为自发极化强度，Ec为矫顽力）铁电体微观结构的上述特点决定了它有许多特殊的宏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。观性质，从而区别于普通电介质。4.电滞回线电滞回线铁电体从高对称性转变为低对称铁电体从高对称性转变为低对称性的过程中，伴随着发生自发极性的过程中，伴随着发生自发极化或亚点阵极化。化或亚点阵极化。极化强度与外极化强度与外电

7、场之间的关系构成电滞回线电场之间的关系构成电滞回线。电滞回线是铁电态的一个标志。电滞回线是铁电态的一个标志。二、铁电性二、铁电性 所谓所谓铁电性铁电性通常是指铁电体的微观结构性质。存在通常是指铁电体的微观结构性质。存在电滞回电滞回线、电畴结构、自发极化以及相应的晶胞形变（自发应变）、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、居里居里点、居里-外斯定律外斯定律等是一般公认的铁电性可能表露出来的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。电性质。(一一)铁电畴铁电畴 通常通

8、常,一个铁电体并不是在一个方向上单一地产生自发极化。一个铁电体并不是在一个方向上单一地产生自发极化。1.铁电畴：铁电畴：一个自然形成铁电单晶或铁电陶瓷晶粒中出现的许一个自然形成铁电单晶或铁电陶瓷晶粒中出现的许多微小区域；每个区域中所有晶胞的电矩取向相同；而相邻区多微小区域；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。域的电矩取向不同。这样的区域称为电畴。这样的区域称为电畴。2.畴壁：畴壁：两畴之间的界壁称为两畴之间的界壁称为畴壁畴壁。晶体中的自发极化方向一般不相同，互相成晶体中的自发极化方向一般不相同，互相成90或或180 等等角度。若两个电畴的自发极化方向互成角度。若两个电畴

9、的自发极化方向互成90 ，则其畴壁叫，则其畴壁叫90 畴畴壁。此外，还有壁。此外，还有180 畴壁等。畴壁等。7 180 畴壁较薄，一般为畴壁较薄，一般为5-20埃，埃，90 畴壁较厚一般为畴壁较厚一般为50-100埃。为了使体系的能量最低，各电畴的极化方向通常埃。为了使体系的能量最低，各电畴的极化方向通常“首首尾相连尾相连”。3.电畴结构与晶体结构的关系电畴结构与晶体结构的关系 BaTiO3的铁电相晶体结构有四方、斜方、菱形三种晶系，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它们的自发极化方向分别沿001，011，111方向，除了方向，除了90 和和180 畴壁外，

10、在斜方晶系中还有畴壁外，在斜方晶系中还有60和和120 畴壁，在菱形晶畴壁，在菱形晶系中还有系中还有71 ，109 畴壁。畴壁。图6.31 畴壁 多晶多晶体中每个小晶粒可包含多个体中每个小晶粒可包含多个电畴。由于晶体本身取向无规则，所电畴。由于晶体本身取向无规则，所以各电畴分布是混乱的，以各电畴分布是混乱的，因而对外不因而对外不显示极性。显示极性。单晶单晶体，各电畴间的取向成一定的体，各电畴间的取向成一定的角度，如角度，如90，180 。4.电畴的形成及其运动的微观机理电畴的形成及其运动的微观机理（1）电畴的形成）电畴的形成 以以BaTiO3为例。为例。离子位移理论，认为自发极化主要是由离子位

11、移理论，认为自发极化主要是由晶体中某些离子偏离了平衡位置造成的。由于离子偏离了平衡晶体中某些离子偏离了平衡位置造成的。由于离子偏离了平衡位置，使得单位晶胞中出现了电矩。电矩之间的相互作用使偏位置，使得单位晶胞中出现了电矩。电矩之间的相互作用使偏离平衡位置的离子在新的位置上稳定下来，与此同时晶体结构离平衡位置的离子在新的位置上稳定下来，与此同时晶体结构发生了畸变。发生了畸变。8图6.29正方结构BaTiO4中钛、氧离子位移情况 9自发极化的产生由钛、氧离子间的强耦合作用引起。自发极化的产生由钛、氧离子间的强耦合作用引起。设中间部位的钛离子因热运动的涨落在某一瞬间向氧设中间部位的钛离子因热运动的涨

12、落在某一瞬间向氧离子离子O1有微小位移，则又使氧离子向钛离子靠拢，接有微小位移，则又使氧离子向钛离子靠拢，接着由于比较大的内电场力的传递，使自发极化首先沿着由于比较大的内电场力的传递，使自发极化首先沿Ti-O1离子线展开。离子线展开。图6.29正方结构BaTiO4中钛、氧离子位移情况 10同时，由于电场力以及弹性力的传递，周围的同时，由于电场力以及弹性力的传递，周围的O2离子也被向下离子也被向下挤。如此，自发极化向横向发展。横向发展是间接的，比较弱，挤。如此，自发极化向横向发展。横向发展是间接的，比较弱，因此以上形成的畴核及其发展如针状。最后的电畴图案总是电场因此以上形成的畴核及其发展如针状。

13、最后的电畴图案总是电场力与弹性力平衡的结果，整个体系保持能量最低。力与弹性力平衡的结果，整个体系保持能量最低。（2）电畴）电畴“转向转向”（电畴运动）（电畴运动）铁电畴在外电场作用下，总是要趋向于与外电场方向一铁电畴在外电场作用下，总是要趋向于与外电场方向一致致。这形象地称作电畴。这形象地称作电畴“转向转向”。电畴运动的实现方式电畴运动的实现方式 是通过在外电场作用下新畴的出现、发展以及畴壁的移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。动来实现的。180 畴的畴的“转向转向”在电场作用下，在电场作用下，180 畴的畴的“转向转向”是通过许多尖劈形新是通过许多尖劈形新畴的出现、

14、发展而实现的。尖劈形新畴迅速沿前端向前发展。畴的出现、发展而实现的。尖劈形新畴迅速沿前端向前发展。11 90 畴的畴的“转向转向”虽然也产生针状电畴，虽然也产生针状电畴，但主要是通过但主要是通过90 畴壁的侧畴壁的侧向移动来实现的。实验证明，向移动来实现的。实验证明，这种侧向移动所需要的能量这种侧向移动所需要的能量比产生针状新畴所需要的能比产生针状新畴所需要的能量还要低。量还要低。(a)180 电畴 (b)90 电畴图6.32 电畴中针状新畴的出现和发展180 畴与畴与90 电畴的转向的比较：电畴的转向的比较：一一 般在外电场作用下般在外电场作用下(人工极化人工极化)，180 畴：转向比较充分

15、，同时由于畴：转向比较充分，同时由于“转向转向”时结构畸变小，时结构畸变小，内应力小，因而这种转向比较稳定。内应力小，因而这种转向比较稳定。90 畴：转向是不充分（例如畴：转向是不充分（例如BaTiO3陶瓷，陶瓷，90 畴只有畴只有 13转向），转向时引起较大内应力，所以这种转向不稳转向），转向时引起较大内应力，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，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，这恢复原位，大部分电畴则停留在新转向的极化方向上，这叫叫剩余极化剩余极化。12(二二)铁电体的晶体极化与电场的关系铁电体的

16、晶体极化与电场的关系电滞回线电滞回线 极化强度的取向只有两种可极化强度的取向只有两种可能能(即沿某轴的正向或负向即沿某轴的正向或负向)。在没有外电场时，晶体总电在没有外电场时，晶体总电矩为矩为0(能量最低能量最低)。（1）极化强度的变化极化强度的变化 当电场施加于晶体时，沿当电场施加于晶体时，沿电场方向的电畴扩展，变大；电场方向的电畴扩展，变大；而与电场反平行方向的电畴则而与电场反平行方向的电畴则变小。变小。极化强度随外电场增加极化强度随外电场增加而增加，而增加，oA段曲线。段曲线。13 图6.26 铁电电滞回线(Ps为自发极化强度，Ec为矫顽力）电场强度继续增大，最后晶体电场强度继续增大，最

17、后晶体电畴方向都趋于电场方向，类电畴方向都趋于电场方向，类似于单畴，极化强度达到饱和，似于单畴，极化强度达到饱和，这相当于图中这相当于图中C附近的部分。附近的部分。（2）自发极化强度）自发极化强度Ps 极化强度达到饱和后，再增极化强度达到饱和后，再增加电场，加电场，P与与E成线性关系，将这成线性关系，将这线性部分外推至线性部分外推至E=0时的情况，时的情况，此时在纵轴此时在纵轴P上的截距称为上的截距称为饱和饱和极化强度或自发极化强度极化强度或自发极化强度Ps。（3）剩余极化强度）剩余极化强度 如果电场自图中如果电场自图中C处开始降低，处开始降低，晶体的极化强度亦随之减小。晶体的极化强度亦随之减

18、小。在在零电场处，仍存在剩余极化强度零电场处，仍存在剩余极化强度Pr。这是因为电场减低时，部分。这是因为电场减低时，部分电畴由于晶体内应力的作用偏离电畴由于晶体内应力的作用偏离了极化方向。但当了极化方向。但当E=0时，大部时，大部分电畴仍停留在极化方向，因而分电畴仍停留在极化方向，因而宏观上还有剩余极化强度。宏观上还有剩余极化强度。14（4）矫顽电场强度）矫顽电场强度 当电场反向达到当电场反向达到-Ec时，剩时，剩余极化全部消失。余极化全部消失。反向电场继续增大，极化强反向电场继续增大，极化强度才开始反向。度才开始反向。Ec常称为矫顽常称为矫顽电场强度。电场强度。15(三三)居里居里-外斯定律

19、外斯定律 在自发极化出现前的非极性晶体称为顺电性晶体。顺在自发极化出现前的非极性晶体称为顺电性晶体。顺电性晶体与铁电性晶体的转变温度称为铁电居里点电性晶体与铁电性晶体的转变温度称为铁电居里点TC。当。当TTC时，铁电相转变为顺电相，电滞回线消失，这时时，铁电相转变为顺电相，电滞回线消失，这时P与与E一般有线性关系一般有线性关系P=0E，并且介电常数服从居里，并且介电常数服从居里-外斯定外斯定律律 16C为居里常数，为居里常数，为特征温度。为特征温度。代表电子位移极化对介电常代表电子位移极化对介电常数的贡献。在居里点附近忽略，则居里外斯定律为数的贡献。在居里点附近忽略，则居里外斯定律为图6.33

20、 双电滞回线17 有一类物体在转变温度以下，邻近有一类物体在转变温度以下，邻近的晶胞彼此沿反乎行方向自发极化。这的晶胞彼此沿反乎行方向自发极化。这类晶体叫类晶体叫反铁电体。反铁电体。反铁电体一般宏观无剩余极化强度，反铁电体一般宏观无剩余极化强度，但在很强的外电场作用下，可以诱导成但在很强的外电场作用下，可以诱导成铁电相，其铁电相，其P-E呈双电滞回线。呈双电滞回线。PbZrO3在在E较小时，无电滞回线，当较小时，无电滞回线，当E很大时，很大时，出现了双电滞出现了双电滞回线。反铁电体也具有临界温度回线。反铁电体也具有临界温度反铁电居里温度。在居里温反铁电居里温度。在居里温度附近，也具有介电反常特

21、性。度附近，也具有介电反常特性。（5）反铁电体及双电滞回线）反铁电体及双电滞回线 三、铁电体的性能及其应用三、铁电体的性能及其应用1.电滞回线电滞回线 判定铁电体的依据是电滞回线。电滞回线由介电实验判定铁电体的依据是电滞回线。电滞回线由介电实验得出。根据前述分析，它是材料内部电畴运动的宏观表现。得出。根据前述分析，它是材料内部电畴运动的宏观表现。铁电材料在外加交变电场作用下都能形成电滞回线，然铁电材料在外加交变电场作用下都能形成电滞回线，然而不同材料和不同工艺条件对电滞回线的形状都有很大的而不同材料和不同工艺条件对电滞回线的形状都有很大的影响，因而应用也各不相同，所以掌握电滞回线及其影响影响，

22、因而应用也各不相同，所以掌握电滞回线及其影响因素，对研究铁电材料的特性是十分重要的。因素，对研究铁电材料的特性是十分重要的。1)温度对电滞回线的影响温度对电滞回线的影响 铁电畴在外电场作用下的铁电畴在外电场作用下的“转向转向”，使得陶瓷材料具有，使得陶瓷材料具有宏观剩余极化强度，即材料具有宏观剩余极化强度，即材料具有“极性极性”。通常把这种工。通常把这种工艺过程称为艺过程称为“人工极化人工极化”。18（1）极化温度）极化温度影响电滞回线的形状（因为极化温度的高低影响到电畴运影响电滞回线的形状（因为极化温度的高低影响到电畴运动和转向的难易）。极化温度较高的，其电滞回线形状比较动和转向的难易）。极

23、化温度较高的，其电滞回线形状比较细长。细长。矫顽场强和饱和场强随温度升高而降低矫顽场强和饱和场强随温度升高而降低。所以在一定条件下，极化温度较高，可以在较低的极化所以在一定条件下，极化温度较高，可以在较低的极化电压下达到同样的效果。即温度高时电畴运动容易，因而矫电压下达到同样的效果。即温度高时电畴运动容易，因而矫顽力和饱和场强都小，即达到饱和极化强度只需较低的极化顽力和饱和场强都小，即达到饱和极化强度只需较低的极化电压。电压。（2）环境温度）环境温度影响电畴运动的难易程度；影响电畴运动的难易程度；对材料的晶体结构有影响。对材料的晶体结构有影响。因此使材料内部自发极化发生改变，尤其是在相界处因此

24、使材料内部自发极化发生改变，尤其是在相界处(晶晶型转变温度点型转变温度点)变化最为显著。例如，变化最为显著。例如，Ba-TiO3在居里温度附近，在居里温度附近，电滞回线逐渐闭合为一直线电滞回线逐渐闭合为一直线(铁电性消失铁电性消失)。192)极化时间和极化电压对电滞回线的影响极化时间和极化电压对电滞回线的影响 电畴转向需要一定的时间，时间适当长一点，极化就可电畴转向需要一定的时间，时间适当长一点，极化就可以充分化强度。以充分化强度。极化电压对电畴转向有类似的影响、极化电压加大，电极化电压对电畴转向有类似的影响、极化电压加大，电畴转向程度高，剩余极化变大。畴转向程度高，剩余极化变大。3)晶体结构

25、对滞回线的影响。晶体结构对滞回线的影响。20同一种材料，单晶体和多晶体同一种材料，单晶体和多晶体的电滞回线是不同的。的电滞回线是不同的。图图6.34反映反映BaTiO3单晶和单晶和陶瓷电滞回线的差异。单晶体陶瓷电滞回线的差异。单晶体的电滞回线很接近于矩形，的电滞回线很接近于矩形，Ps和和Pr很接近，而且很接近，而且Pr较高；陶较高；陶瓷的电滞回线中瓷的电滞回线中Ps与与Pr相差较相差较多，表明陶瓷多晶体不易成为多，表明陶瓷多晶体不易成为单畴，即不易定向排列单畴，即不易定向排列图6.34 BaTiO3的电滞回线 4)铁电体的应用铁电体的应用 由于它有剩余极化强度，因而铁电体可用来作信息由于它有剩

26、余极化强度，因而铁电体可用来作信息存储、图象显示。存储、图象显示。目前已经研制出一些透明铁电陶瓷器件，如铁电存储和目前已经研制出一些透明铁电陶瓷器件，如铁电存储和显示器件、光阀，全息照相器件等，就是利用外加电场使显示器件、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，使透明陶瓷的光学性质变化。铁电铁电畴作一定的取向，使透明陶瓷的光学性质变化。铁电体在光记忆应用方面也已受到重视，目前得到应用的是掺体在光记忆应用方面也已受到重视，目前得到应用的是掺镧的锆钛酸铅（镧的锆钛酸铅（PLZT)透明铁电陶瓷以及透明铁电陶瓷以及Bi4Ti3O12铁电薄膜。铁电薄膜。由于铁电体的极化随由于铁电体的

27、极化随E而改变。因而晶体的折射率也而改变。因而晶体的折射率也将随将随E改变。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。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。目前应用到激光技术中的晶体很多是铁电晶关等光器件。目前应用到激光技术中的晶体很多是铁电晶体，如体，如LaNbO3，LiTaO3，KTN(钽铌酸钾钽铌酸钾)等。等。21 2介电特性介电特性1）铁电体的一般介电特性）铁电体的一般介电特性（1）具有很高的介电常数（如）具有很高的介电常数（如BaTiO3一类的钙铁矿型

28、铁电一类的钙铁矿型铁电体）。体）。（2）居里点附近，介电常数增加很快。）居里点附近，介电常数增加很快。22图6.35 BaTiO3陶瓷介电常数与温度的关系 如纯钛酸钡陶瓷的介电常如纯钛酸钡陶瓷的介电常数在室温时约数在室温时约1400，而在居，而在居里点里点(120)附近，介电常数附近，介电常数增加很快，可高达增加很快，可高达6000-l0000。2）介电特性的调整）介电特性的调整 由图由图6.35可以看出，室温可以看出，室温下下r随温度变化比较平坦，这随温度变化比较平坦，这可以用来制造小体积大容量可以用来制造小体积大容量的陶瓷电容器。的陶瓷电容器。为了提高室温下材料的介电常数，可添加其它钙钛矿

29、型铁为了提高室温下材料的介电常数，可添加其它钙钛矿型铁电体，形成固溶体。在实际制造中需要解决调整居里点和居电体，形成固溶体。在实际制造中需要解决调整居里点和居里点处介电常数的峰值问题，这就是所谓里点处介电常数的峰值问题，这就是所谓“移峰效应移峰效应”和和“压峰效应压峰效应”。（1）移峰效应）移峰效应定义定义 在铁电体中引入某种添加物生成固溶体，改变原来的晶在铁电体中引入某种添加物生成固溶体，改变原来的晶胞参数和离子间的相互联系，使居里点向低温或高温方向移胞参数和离子间的相互联系，使居里点向低温或高温方向移动，这就是动，这就是“移峰效应移峰效应”。移峰的目的移峰的目的 使在工作情况下使在工作情况

30、下(室温附近室温附近)，材料的介电常数和温度关系，材料的介电常数和温度关系尽可能平缓，即要求居里点远离室温温度，如加入尽可能平缓，即要求居里点远离室温温度，如加入PbTiO3可可使使BaTiO3居里点升高。居里点升高。23（2）压峰效应）压峰效应 目的：降低居里点处的介电常数的蜂值，即降低目的：降低居里点处的介电常数的蜂值，即降低-T非线非线性，也使工作状态相应于性，也使工作状态相应于-T平缓区。平缓区。例如在例如在BaTiO3中加入中加入CaTiO3 可使居里峰值下降。常用的可使居里峰值下降。常用的压峰剂压峰剂(或称展宽剂或称展宽剂)为非铁电体。如在为非铁电体。如在BaTiO3中加入中加入B

31、i2/3SnO3，其居里点几乎完全消失，显示出直线性的温度特性可认为，其居里点几乎完全消失，显示出直线性的温度特性可认为其机理是加入非铁电体后，破坏了原来的内电场，使自发极其机理是加入非铁电体后，破坏了原来的内电场，使自发极化减弱，即铁电性减小。化减弱，即铁电性减小。3非线性非线性 铁电体的非线性是指介电常数铁电体的非线性是指介电常数随外加电场强度非线性地随外加电场强度非线性地变化。变化。241）非线性的表示）非线性的表示 在工程中，常采用交流电场强度在工程中，常采用交流电场强度Emax和非线性系数和非线性系数N来表示材料的非线性。来表示材料的非线性。Emax指介电常数最大值指介电常数最大值m

32、ax时的电场时的电场强度，强度，N表示表示max和介电常数初始值和介电常数初始值5之比。之比。5指交流指交流50周，电压周，电压5伏时的介电常数。伏时的介电常数。(6.121)强非线性只有在强非线性只有在N很大，同时很大，同时Emax较低时才出现。较低时才出现。2）影响非线性的因素）影响非线性的因素 主要是材料结构。可以用电畴的观点来分析非线性。主要是材料结构。可以用电畴的观点来分析非线性。电畴在外加电场下能沿外电场取向，主要是通过新畴的形电畴在外加电场下能沿外电场取向，主要是通过新畴的形成、发展和畴壁的位移等实现的。当所有电畴部沿外电场成、发展和畴壁的位移等实现的。当所有电畴部沿外电场方向排

33、列定向时，极化达到最大值。方向排列定向时，极化达到最大值。25 3）达到强非线性的方法）达到强非线性的方法 为了使材料具有强非线性，就必须使所有的电畴能在较为了使材料具有强非线性，就必须使所有的电畴能在较低电场作用下全部定向，这时低电场作用下全部定向，这时-E曲线一定很陡。在低电场强曲线一定很陡。在低电场强度作用下，电畴转向主要取决于度作用下，电畴转向主要取决于90和和180畴壁的位移。但畴畴壁的位移。但畴壁通常位于晶体缺陷附近。缺陷区存在内应力，畴壁不易移壁通常位于晶体缺陷附近。缺陷区存在内应力，畴壁不易移动。动。因此要获得强非线性，就要减少晶体缺陷，防止杂质掺因此要获得强非线性，就要减少晶

34、体缺陷，防止杂质掺入，选择最佳工艺条件。此外要选择适当的主晶相材料，要入，选择最佳工艺条件。此外要选择适当的主晶相材料，要求矫顽场强低，体积电致伸缩小，以免产生应力。求矫顽场强低，体积电致伸缩小，以免产生应力。强非线性铁电陶瓷主要用于制造电压敏感元件、介质放强非线性铁电陶瓷主要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得应用的材料有BaTiO3-BaSnO3，BaTiO3-BaZrO3等。等。264晶界效应晶界效应 陶瓷材料晶界特性的重要性不亚于晶粒本身特性的。例如陶瓷材料晶界特性的重要性不

35、亚于晶粒本身特性的。例如BaTiO3铁电材料，由于晶界效应，可以表现出各种不同的半导铁电材料，由于晶界效应，可以表现出各种不同的半导体特性。体特性。在高纯度在高纯度BaTiO3原料中添加微量稀土元素原料中添加微量稀土元素(例如例如La)，用普，用普通陶瓷工艺烧成，可得到室温体电阻率为通陶瓷工艺烧成，可得到室温体电阻率为10-103cm的半导体的半导体陶瓷。这是因为象陶瓷。这是因为象La3+这样的三价离子，占据晶格中这样的三价离子，占据晶格中Ba2+的位的位置。每添加一个置。每添加一个La3+离子便多余了一价正电荷，为了保持电中离子便多余了一价正电荷，为了保持电中性，性，Ti4+俘获一个电子。这

36、个电子只处于半束缚状态，容易激发，俘获一个电子。这个电子只处于半束缚状态，容易激发，参与导电，因而陶瓷具有参与导电，因而陶瓷具有n型半导体的性质。型半导体的性质。另一类型另一类型BaTiO3半导体陶瓷不用添加稀土离子，只把这种半导体陶瓷不用添加稀土离子，只把这种陶瓷故在真空中或还原气氛中加热，使之陶瓷故在真空中或还原气氛中加热，使之“失氧失氧”，材料也会，材料也会具有弱具有弱n型半导体待性。型半导体待性。27 利用半导体陶瓷的晶界效应，可制造出边界层利用半导体陶瓷的晶界效应，可制造出边界层(或晶界层或晶界层)电容器。电容器。如将上述两种半导体如将上述两种半导体BaTiO3陶瓷表面涂以金属氧化物

37、，陶瓷表面涂以金属氧化物，如如Bi2O3，CuO等，然后在等，然后在9501250氧化气氛下热处理，氧化气氛下热处理，使金属氧化物沿晶粒边界扩散。这样晶界变成绝缘层，而晶使金属氧化物沿晶粒边界扩散。这样晶界变成绝缘层，而晶粒内部仍为半导体，晶粒边界厚度相当于电容器介质层。这粒内部仍为半导体，晶粒边界厚度相当于电容器介质层。这样制作的电容器介电常数可达样制作的电容器介电常数可达20000-80000。用很薄的这种陶。用很薄的这种陶瓷材料就可以做成击穿电压为瓷材料就可以做成击穿电压为45伏以上，容量为伏以上，容量为0-5微法的电微法的电容器。它除了体积小，容量大外，还适合于高频容器。它除了体积小，

38、容量大外，还适合于高频(100兆赫以兆赫以上上)电路使用。在集成电路中是很有前途的。电路使用。在集成电路中是很有前途的。28压 电 性29压电性：是某些晶体材料按所施加的机械应力成比例地产生电压电性：是某些晶体材料按所施加的机械应力成比例地产生电荷的能力。荷的能力。在各向同性的物体里，原则上不存在压电性。在各向同性的物体里，原则上不存在压电性。一、压电效应一、压电效应1压电效应与压电常数压电效应与压电常数1）正压电效应）正压电效应 当对石英晶体在一定方向上施加机械应力时，在其两端当对石英晶体在一定方向上施加机械应力时，在其两端表面上会出现数量相等、符号相反的束缚电荷；作用力反向表面上会出现数量

39、相等、符号相反的束缚电荷；作用力反向时，表面荷电性质亦反号，而且在一定范围内电荷密度与作时，表面荷电性质亦反号，而且在一定范围内电荷密度与作用力成正比。称为正压电效应。用力成正比。称为正压电效应。2）逆压电效应）逆压电效应 石英晶体在一定方向的电场作用下，则会产生外形尺寸石英晶体在一定方向的电场作用下，则会产生外形尺寸的变化，在一定范围内，其形变与电场强度成正比。称为逆的变化，在一定范围内，其形变与电场强度成正比。称为逆压电效应。压电效应。正压电效应与逆压电效应统称为压电效应。具有压电效正压电效应与逆压电效应统称为压电效应。具有压电效应的物体称为压电体。应的物体称为压电体。303）晶体的压电效

40、应的本质）晶体的压电效应的本质（1）正压电效应的本质）正压电效应的本质 是因为机械作用是因为机械作用(应力与应变应力与应变)引起了晶体介质的极化，引起了晶体介质的极化，从而导致介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷。从而导致介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷。晶体压电效应的机理晶体压电效应的机理:图中图中(a)表示压电晶体中质点在某方向上的投影。此时晶表示压电晶体中质点在某方向上的投影。此时晶体不受外力作用，正电荷重心与负电荷重心重合，整个晶体体不受外力作用，正电荷重心与负电荷重心重合，整个晶体总电矩为总电矩为0，因而晶体表面不荷电。，因而晶体表面不荷电。但是当沿某一方向对晶体施加机械力时，晶

41、体由于形变但是当沿某一方向对晶体施加机械力时，晶体由于形变导致正、负电荷重心不重合，即电矩发生变化，从而引起晶导致正、负电荷重心不重合，即电矩发生变化，从而引起晶体表面荷电；体表面荷电；31图6.36 压电效应机理示意因(b)为晶体在压缩时荷为晶体在压缩时荷电的情况；电的情况；(c)是拉伸时的荷电情况。是拉伸时的荷电情况。在后两种情况下，在后两种情况下，晶体表面电荷符号相反。晶体表面电荷符号相反。（2）逆压电效应的本质）逆压电效应的本质 如果将一块压电晶体置于外电场中，由于电场作用，晶体如果将一块压电晶体置于外电场中，由于电场作用，晶体内部正、负电荷重心产生位移。这一位移又导致晶体发生形内部正

42、、负电荷重心产生位移。这一位移又导致晶体发生形变，这个效应即为逆压电效应。变，这个效应即为逆压电效应。4）电荷与应力的关系）电荷与应力的关系（1）正压电效应）正压电效应 电荷与应力是成比例的，用介质电位移电荷与应力是成比例的，用介质电位移D(单位面积的电荷单位面积的电荷)和应力和应力T表达如下：表达如下：D =dT (6.123)式中式中D的单位为的单位为Cm2，T的为的为Nm 2，d称为压电常数称为压电常数(C/N)。（2）逆压电效应）逆压电效应 其应变其应变S与电场强度与电场强度E(vm)的关系为的关系为 S =dE (6.124)对于正和逆压电效应，比例常数对于正和逆压电效应，比例常数d

43、在数值上是相同的在数值上是相同的 d=D/T =S/E实际在以上表示式中，实际在以上表示式中，D，E为矢量，为矢量，T，S为张量为张量(二阶对称二阶对称)。322压电效应的方程式压电效应的方程式 完整地表示压电晶体的压电效应中其力学量完整地表示压电晶体的压电效应中其力学量(T，S)和电和电学量学量(D，E)关系的方程式叫压电方程。关系的方程式叫压电方程。下面简单介绍只有一个下面简单介绍只有一个力学量或电学量作用的情况力学量或电学量作用的情况(即只有一个自变量即只有一个自变量)。1）正压电效应）正压电效应 根据定义可写出方程式：根据定义可写出方程式：D1=d11Tl+d12T2 +d13T3 +

44、d14T4 +d15T5 +d16T6D2=d21Tl+212T2 +d23T3 +d24T4 +d25T5 +d26T6D3=d31Tl+d32T2 +d33T3 +d34T4 +d35T5 +d36T6 (6.125)式中式中d的第一个下标代表电的方向，第的第一个下标代表电的方向，第2个下标代表机械的个下标代表机械的(力力或形变或形变)方向。方向。实际使用时由于压电陶瓷的对称性，脚标可简化，压电常实际使用时由于压电陶瓷的对称性，脚标可简化，压电常数的矩阵是数的矩阵是332）逆压电效应）逆压电效应逆压电效应方程式可归纳为：逆压电效应方程式可归纳为：6.127)式中式中E1、E2、E3为施加电

45、场为施加电场E的分量；的分量；S1、S2、S3为应变分量。为应变分量。在逆压电效应中常数在逆压电效应中常数d d的第一个下标也是的第一个下标也是“电的电的”分量，分量，而第二个下标是机械形变或应力的分量。而第二个下标是机械形变或应力的分量。如如果果同同时时考考虑虑力力学学参参量量(T，S)和和电电学学参参量量(E，D)的的复复合合作用，可用简式表示如下：作用，可用简式表示如下：6.128)式式中中，T在在恒恒定定应应力力(或或零零应应力力)下下测测量量出出的的机机械械自自由由介介电电常常数数，SE为为电电短短路路情情况况下下测测得得的的弹弹性性常常数数。由由于于压压电电材材料料沿沿极极化化方方

46、向向的的性性质质与与其其它它方方向向性性质质不不一一样样，所所以以其其弹弹性性、介介电电常常数数各各个方向也不一样，并且与边界条件有关。个方向也不一样，并且与边界条件有关。34二、压电振子及其参数二、压电振子及其参数 压电振子是最基本的压电元件，它是被覆激励电极的压电振子是最基本的压电元件，它是被覆激励电极的压电体。压电体。样品的几何形状不同，可以形成各种个同的振动模式样品的几何形状不同，可以形成各种个同的振动模式 表征压电效应的主要参数，除介电常数、弹性常数和压表征压电效应的主要参数，除介电常数、弹性常数和压电常数等压电材料的常数外，还有表征电常数等压电材料的常数外，还有表征压电元件的参数，

47、压电元件的参数，谐振频率、频率常数和机电耦合系数。谐振频率、频率常数和机电耦合系数。1谐振频率与反谐振频率谐振频率与反谐振频率 若压电振子是具有固有振动频率若压电振子是具有固有振动频率fr的弹性体，当施加于的弹性体，当施加于压电振子上的压电振子上的激励信号频率激励信号频率等于等于fr时，压电振子由于逆压电时，压电振子由于逆压电效应产生机械谐振，这种机械谐振又借助于正压电效应而效应产生机械谐振，这种机械谐振又借助于正压电效应而输出电信号。输出电信号。35图6.40压电振子的阻抗 特性曲线示意图36 压电振子谐振时，输出电流达最大值，此时的频率为压电振子谐振时，输出电流达最大值，此时的频率为最最小

48、阻抗频率小阻抗频率fm。当信号频率继续增大到。当信号频率继续增大到fn，输出电流达最小，输出电流达最小值，值，fn叫叫最大阻抗频率最大阻抗频率，如图，如图6.40。根据谐振理论，压电振子根据谐振理论，压电振子在最小阻抗频率在最小阻抗频率fm 附近，存在附近，存在一个使信号电压与电流同位相一个使信号电压与电流同位相的频率，这个频率就是压电振的频率，这个频率就是压电振子的谐振频率子的谐振频率fr，同样在，同样在fn附附近存在另一个使信号电压与电近存在另一个使信号电压与电流同位相的频率，这个频率叫流同位相的频率，这个频率叫压电振子的反谐振频率压电振子的反谐振频率fa。只。只有压电振子在机械损耗为零的

49、有压电振子在机械损耗为零的条件下，条件下，fm=fr，fn=fa。2频率常数频率常数 压电元件的谐振频率与沿振动方向的长度的乘积为一常压电元件的谐振频率与沿振动方向的长度的乘积为一常数，称为频率常数数，称为频率常数N(kHzm)。例如陶瓷薄长片沿长度方向伸缩振动的频率常数例如陶瓷薄长片沿长度方向伸缩振动的频率常数Nl为：为：Nl=fr l 37因为因为 Y为杨氏模量，为杨氏模量，p为材料的密度，所以为材料的密度，所以 由此可见，频率常数只与材料的性质有关。若知道材料由此可见，频率常数只与材料的性质有关。若知道材料的频率常数即可根据所要求的频率来设计元件的外形尺寸。的频率常数即可根据所要求的频率

50、来设计元件的外形尺寸。3机电耦合系数机电耦合系数 机电耦合系数机电耦合系数k是综合反映压电材料性能的参数。它表示是综合反映压电材料性能的参数。它表示压电材料的机械能与电能的耦合效应，定义为：压电材料的机械能与电能的耦合效应，定义为：由于压电元件的机械能与它的形状和振动方式有关，因此由于压电元件的机械能与它的形状和振动方式有关，因此不同形状和不同振动方式所对应的机电耦合系数也不相同。不同形状和不同振动方式所对应的机电耦合系数也不相同。38 三、压电性与晶体结构三、压电性与晶体结构1.晶体的对称性和压电效应晶体的对称性和压电效应 压电效应与晶体的对称性有关。由前讨论可知，压电效应压电效应与晶体的对