1、1,7、鐵電物理 鐵電體物理學(xué)研究的核心問題是自發(fā)極化（極化在外電場(chǎng)作用下，分子中電荷分布發(fā)生的變化稱為極化，包括電子位移極化、離子位移極化、分子固有轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)向極化。），本章內(nèi)容就是圍繞這個(gè)核心展開。 鐵電物理特性和效應(yīng)涉及到：介電、熱電、鐵電、壓電、聲學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、晶格振動(dòng)、相變等許多方面的知識(shí)。 本章要求了解以下一些知識(shí)點(diǎn),2,一、基本概念 鐵電體在某溫度范圍具有自發(fā)極化，且極化強(qiáng)度可以隨外電場(chǎng)反向而反向的一些晶體。 其實(shí)鐵電體晶體中并不含鐵，鐵電體又常被稱作息格毀特晶體，這是因?yàn)榈谝粋€(gè)鐵電體（羅息鹽）是在1672年由羅息地方的藥劑師息格毀特制備出來的。,3,熱釋電性指某些電介質(zhì)的電極化

2、隨溫度改變的性質(zhì)。 熱釋電晶體具有自發(fā)極化的晶體稱為熱釋電晶體。 熱釋電體與鐵電體的區(qū)別： 熱釋電體是具有自發(fā)極化的晶體，其自發(fā)極化只能出現(xiàn)在晶體的某幾個(gè)特定晶向上。熱釋電體的自發(fā)極化強(qiáng)度Ps很高，晶體已經(jīng)處在高度的極化狀態(tài)下。在普通的線性電介質(zhì)中，即使加上接近介質(zhì)擊穿的外電場(chǎng)也很難達(dá)到這種高度的極化狀態(tài)。,4,因此,外電場(chǎng)很難使熱釋電體的自發(fā)極化沿著空間的任意方向定向。但是少數(shù)熱釋電體的自發(fā)極化強(qiáng)度矢量卻能在外電場(chǎng)的作用下沿著某幾個(gè)特定的晶向重新定向。這種自發(fā)極化能被外電場(chǎng)重新定向的熱釋電體就是鐵電體。因此鐵電體是熱釋電體的一類（一個(gè)亞族）。應(yīng)該指出，鐵電體與非鐵電體的熱釋電體無本質(zhì)上的區(qū)別

3、，只是后者被外電場(chǎng)擊穿以前，其自發(fā)極化還沒有被重新定向而已。,5,自發(fā)極化能被外電場(chǎng)重新定向是鐵電體最重要的判據(jù)，也是鐵電體具有許多獨(dú)特性質(zhì)的主要原因。一般的，晶體的壓電性質(zhì)及自發(fā)極化性質(zhì)都是由晶體的對(duì)稱性決定的，可是對(duì)于鐵電體，外電場(chǎng)能使自發(fā)極化反向的特性不能由晶體的結(jié)構(gòu)來預(yù)期，只能通過電滯回線（或介電常數(shù)）的測(cè)定來判斷。 鐵電體的居里溫度點(diǎn)當(dāng)溫度高于某一臨界溫度Tc時(shí)，晶體的鐵電性消失，而且晶格結(jié)構(gòu)也發(fā)生轉(zhuǎn)變，這一溫度是鐵電體的居里點(diǎn)。,6,由于鐵電性的出現(xiàn)或消失，總伴隨著晶格結(jié)構(gòu)的改變，所以這是個(gè)相變過程。當(dāng)晶體從非鐵電相（稱順電相）向鐵電相過渡時(shí)，晶體的許多物理性質(zhì)都有反?，F(xiàn)象。對(duì)于一

4、級(jí)相變，伴隨有潛熱發(fā)生，對(duì)于二級(jí)相變，則出現(xiàn)比熱的突變。鐵電相中自發(fā)極化強(qiáng)度是和晶體的自發(fā)電致形變相關(guān)的，所以鐵電相的晶格結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性要比非鐵電相低。如果晶體具有兩個(gè)或多個(gè)鐵電相時(shí)，表征順電相與鐵電相之間的一個(gè)相變溫度才是居里點(diǎn)，而把鐵電體發(fā)生相變時(shí)的溫度稱為過渡溫度或轉(zhuǎn)變溫度。,7,鐵電相是極化的有序狀態(tài)，順電相是極化的無序狀態(tài)；順電相所在的溫度恒比鐵電相所在的溫度高。除此尚有反電體，它們是鐵電晶體的同素異形體，其晶體結(jié)構(gòu)與鐵電體密切相關(guān)。當(dāng)溫度降低時(shí)，晶體有小量畸變。結(jié)構(gòu)也從較高的轉(zhuǎn)向較低的對(duì)稱性。和鐵電體不同的是，在每個(gè)電疇中電極化取兩個(gè)相反的方向（即兩個(gè)相等的子晶格沿相反方向極化），因

5、此并不具有凈電矩。 自發(fā)極化外場(chǎng)為零時(shí)，可以自發(fā)建立起來的極化，稱為自發(fā)極化。,8,許多電介質(zhì)只有在電場(chǎng)作用下才會(huì)發(fā)生極化（極化強(qiáng)度P0）。電場(chǎng)去除后，極化強(qiáng)度迅速衰減到零。在液體和無定形固體中，即使分子本身的偶極矩很大，極性很強(qiáng)，但由于分子排列的混亂性，外電場(chǎng)為零時(shí)，介質(zhì)對(duì)外表現(xiàn)出的宏觀極化強(qiáng)度仍然等于零。然而在晶體中，情況就不同了。如果晶胞本身的正、負(fù)電荷中心不相重合，即晶胞具有極性，那么，由于晶體構(gòu)造的周期性和重復(fù)性，晶胞的固有電矩便會(huì)沿著同一方向排列整齊，使晶體處在高度的極化狀態(tài)下，由于這種極化狀態(tài)是外電場(chǎng)為零時(shí)自發(fā)建立起來的，因此稱為自發(fā)極化。,9,電疇、疇壁： 分割相鄰電疇的界面稱

6、為疇壁。在熱釋電體中，晶體內(nèi)部所有晶胞的自發(fā)電矩全部指向同一方向。這時(shí)極化束縛電荷將在晶體內(nèi)部和外部建立起退極化電場(chǎng)。在退極化電場(chǎng)的作用下，晶體內(nèi)部和外部媒質(zhì)中的自由電荷被吸引到晶體的表面，建立起自由電荷屏蔽層，從而使晶體內(nèi)部和外部的電場(chǎng)均為零。而在鐵電體中，既然自發(fā)極化能被電場(chǎng)重新定向，那么，晶體內(nèi)部在退極化電場(chǎng)的作用下，就會(huì)分裂出一系列自發(fā)極化方向,10,不同的小區(qū)域，使其各自所建立的退極化電場(chǎng)互相補(bǔ)償，直到整個(gè)晶體對(duì)內(nèi)、對(duì)外均不呈現(xiàn)電場(chǎng)為止。這些由自發(fā)極化方向相同的晶胞所組成的小區(qū)域稱為電疇。分割相鄰電疇的界面稱為疇壁。 在鐵電體中電疇是不能在空間任意取向的，只有沿著晶體的某幾個(gè)特定晶向

7、取向。每種鐵電晶體中，鐵電疇所能允許的晶向取決于該種鐵電體原型結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性。,11,實(shí)際晶體的疇結(jié)構(gòu)取決于一系列復(fù)雜的因素，例如晶體的對(duì)稱性、晶體中的雜質(zhì)和缺陷、晶體的電導(dǎo)率、晶體的彈性和自發(fā)極化的數(shù)值等，此外疇結(jié)構(gòu)還要受到晶體制備過程中的熱處理、機(jī)械加工以及樣品幾何形狀等因素的影響。 鐵電體的自發(fā)極化在外電場(chǎng)作用下反轉(zhuǎn)時(shí)，晶體的電疇結(jié)構(gòu)也要發(fā)生相應(yīng)的改變。電疇結(jié)構(gòu)在外電場(chǎng)作用下發(fā)生改變的過程稱為電疇運(yùn)動(dòng)，可以用實(shí)驗(yàn)的方法動(dòng)態(tài)地觀察到。,12,電滯回線： 鐵電體的自發(fā)極化在外電場(chǎng)作用下的重新定向并不是連續(xù)發(fā)生的，而是在外電場(chǎng)超過某一臨界電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)發(fā)生的。這就使得極化強(qiáng)度P滯后于外加電場(chǎng)強(qiáng)度E。

8、當(dāng)電場(chǎng)發(fā)生周期性變化時(shí)，P和E之間便形成電滯回線關(guān)系,如圖所示。 假設(shè)試驗(yàn)鐵電體在外電場(chǎng)為零時(shí)，晶體中的電疇互相補(bǔ)償，對(duì)外呈現(xiàn)出宏觀極化強(qiáng)度為零，此時(shí)晶體狀態(tài)處在O點(diǎn)。當(dāng)外電場(chǎng)E增加時(shí)，極化強(qiáng)度P按OABC增加，增至C電疇變成單一取向電疇(和E取向一致)，此時(shí)P達(dá)到飽和狀態(tài)。,13,當(dāng)E下降時(shí)，P按CBD曲線下降，到E=0時(shí)，P=Pr，Pr稱為剩余極化。而P=0時(shí)，E=-EC， EC稱為矯頑電場(chǎng)強(qiáng)度，到D達(dá)到飽和。再增加E，P按DC線增加而形成CBD回線，即P和E有滯后效應(yīng)。C點(diǎn)處的切線和P軸的交點(diǎn)PS稱為飽和極化強(qiáng)度。是相當(dāng)于E=0時(shí)單疇的自發(fā)極化強(qiáng)度， PSBC相當(dāng)于P與E呈線性關(guān)系時(shí)的P

9、一E曲線。,14,鐵電體的電滯回線表明極化強(qiáng)度P和電場(chǎng)強(qiáng)度E之間的關(guān)系為非線性的，因此鐵電體的介電常數(shù)不是常數(shù)，而與外加的電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。電滯回線是鐵電體的一個(gè)最重要的標(biāo)志。,15,二、鐵電體的各種物理效應(yīng)（性質(zhì)）： 1、介電響應(yīng)（鐵電體的介電系數(shù)） 由于極化是非線性的，因此鐵電體的介電系數(shù)不是常數(shù)，而是依賴于外加電場(chǎng)的。鐵電體在過渡溫度附近介電系數(shù)具有很大的值，數(shù)量級(jí)達(dá)到104105，當(dāng)溫度高于居里點(diǎn)時(shí)，介電系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系遵守居里外斯定律。 2、熱釋電性效應(yīng)（實(shí)際是一種熱電耦合效應(yīng)） 當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，由于離子鍵的鍵長(zhǎng)和鍵角發(fā)生變化，自發(fā)極化強(qiáng)度Ps也將發(fā)生變化。,16,這時(shí)被自發(fā)極化束

10、縛在表面的自由電荷層就要發(fā)生相應(yīng)的調(diào)整，（例如釋放出來，恢復(fù)自由），使得晶體呈現(xiàn)帶電狀態(tài)或在閉合電路中產(chǎn)生電流。這一現(xiàn)象就是熱釋電效應(yīng)。 3、熱釋電材料 熱釋電材料最重要的應(yīng)用是熱釋電傳感器和紅外成像焦平面。熱釋電傳感器是把熱、特別是光輻射產(chǎn)生的熱轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的裝置，可測(cè)量溫度的變化。熱釋電材料器件應(yīng)用的最新發(fā)展是用于紅外成像系統(tǒng)，即“夜視”裝置。各種物體即使,17,在黑暗的環(huán)境中也會(huì)隨其溫度的變化發(fā)射具有不同強(qiáng)度和波長(zhǎng)的紅外線。利用分立的多行多列小塊熱釋電單元作為紅外攝像機(jī)的焦平面，每個(gè)單元可作為一個(gè)像素。當(dāng)目標(biāo)發(fā)射的紅外線成像于該焦平面時(shí)，各分立單元便按其被照射強(qiáng)度的不同而各自產(chǎn)生不同強(qiáng)度

11、的電信號(hào)，這些電信號(hào)被放大和處理后可在熒光屏上還原出目標(biāo)的可視圖像。利用此原理可以制成輕武器的夜間瞄準(zhǔn)器等夜視器件。,18,4、極化處理 雖然鐵電體從本質(zhì)上看總是具有壓電效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)。但是，由高溫熔體或水溶液中生長(zhǎng)出來的鐵電晶體往往是多疇的，因此未經(jīng)處理的鐵電晶體對(duì)外并不表現(xiàn)出壓電效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)，使用前必須在適當(dāng)?shù)臏囟认?，加上很?qiáng)的電場(chǎng)使其單疇化。工業(yè)上把晶體的單疇化處理稱為極化處理，意即賦予晶體以極性。許多重要的鐵電體是多晶陶瓷，在陶瓷中各晶粒的相對(duì)取向是完全混亂的，這就使得電疇的取向也是完全混亂的。未經(jīng)極化處理的鐵電陶瓷當(dāng)然不呈現(xiàn)壓電效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)。進(jìn)行極化處理時(shí)，由于電疇只,19

12、,能沿著某幾個(gè)特定的晶向取向，因此不可能使所有晶粒中的自發(fā)極化都沿著外電場(chǎng)方向排齊，只能使各晶粒的自發(fā)強(qiáng)度轉(zhuǎn)向最接近于外電場(chǎng)的自發(fā)極化軸向。 一般來說，鐵電體都具有熱釋電性。考慮一個(gè)單疇的鐵電晶體或經(jīng)過極化處理的鐵電陶瓷，與極化矢量垂直的相對(duì)的兩個(gè)表面附近分別出現(xiàn)正、負(fù)束縛電荷，通常，這些束縛電荷被等量而符號(hào)相反的自由電荷所屏蔽，總體表現(xiàn)出電中性。當(dāng)溫度改變時(shí)，電極化強(qiáng)度發(fā)生變化，原先的自由電荷不再正好可屏蔽束縛電荷，于是表面上就出現(xiàn)電荷的存在。如果這時(shí)在相對(duì)兩表面上裝上電極，在連接兩電極的導(dǎo)線上就會(huì)有電流流過。,20,5、鐵電相變 由于鐵電體具有自發(fā)極化，且這種自發(fā)極化可以在外電場(chǎng)作用下改變

13、方向。因此，自發(fā)極化便成了鐵電體研究的核心問題。通常晶體的鐵電性只存在于某一特定溫度之下，在此溫度之上鐵電體變成順電體，其自發(fā)極化消失，鐵電相與順電相之間的轉(zhuǎn)變稱為鐵電相變，該溫度稱為居里溫度Tc。 鐵電相可按其結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的特征分為兩類： 位移型鐵電相變和有序無序型鐵電相變。 目前，已知的鐵電晶體已超過100多種。,21,6、壓電效應(yīng) 由于機(jī)械力的作用而使介質(zhì)發(fā)生形變并產(chǎn)生極化的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。反之，如果把外電場(chǎng)加在這種晶體上，改變其極化狀態(tài)，晶體的形狀也將發(fā)生變化，這就是逆壓電效應(yīng)。二者統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。 晶體構(gòu)造上不存在對(duì)稱中心是產(chǎn)生壓電效應(yīng)的必要條件。圖7.23是壓電晶體的示意圖。圖7.

14、23（a）為當(dāng)沒有外力作用時(shí)晶體中的正負(fù)電荷中心重合。晶體對(duì)外不呈現(xiàn)極化，單位體積中,22,的電偶極矩即極化強(qiáng)度等于零，因而表面不帶荷電。但是當(dāng)沿某一方向?qū)w施加機(jī)械力時(shí)，晶體發(fā)生形變，正負(fù)電荷中心相互分離，這時(shí)單位體積中的電偶極矩 就不再等于零，晶 體便對(duì)外表現(xiàn)出極 性，從而引起晶體 表面荷電。,23,圖7.23（b）為晶體在壓縮時(shí)的荷電情況；圖7.23（c）為晶體在拉伸時(shí)的荷電情況。,24,壓電材料包括：壓電單晶、壓電陶瓷、壓電聚合物、壓電復(fù)合材料。 壓電材料是一種重要的功能材料，壓電體在被發(fā)現(xiàn)后不太長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)就得到了重要的應(yīng)用。兩個(gè)公認(rèn)的早期重要工作是：在1916年朗之萬利用石英晶體制

15、造了水聲發(fā)射和接收裝置，用于探測(cè)水中物體。這類裝置即“聲納”，至今仍在海軍中有重要應(yīng)用。在1918年凱迪里利用洛息鹽晶體在機(jī)械諧振頻率附近特異的電性能發(fā)明了諧振器，為壓電材料在通訊和頻率控制方面的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。,25,壓電材料已廣泛應(yīng)用于電子學(xué)(信號(hào)處理、存儲(chǔ)顯示、接收發(fā)射及信號(hào)發(fā)生器等)和傳感器（壓敏、聲敏、熱敏及光敏等）領(lǐng)域。石英、鈮酸鋰、鉭酸鋰、鈦酸鋇，鋯鈦酸鉛（PZT）、PCM(PbZrO3-PbTiO3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3), PMS(Pb(Mn1/3Sb2/3)O3一PbZrO3-PbTiO3)和PVDF用的最多。另外，鐵電材料可用來制作聲波換能器，如高分子薄膜，聚

16、雙氟亞乙烯（簡(jiǎn)稱PVF2或PVDF）和氧化鋰鈮（LiNbO3）。,26,聚雙氟亞乙烯經(jīng)拉伸及加高直流電壓后呈強(qiáng)壓電性，它具有許多優(yōu)點(diǎn)：其聲波特性阻抗和水很近，阻抗自然匹配，容易獲得寬帶操作，適合非破壞檢測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷及聲納與水中聽音器使用，尤其是它具有很高的聲波接收系數(shù)，用來制作被動(dòng)式聲納之水聽器數(shù)組具有重要性。除外，它具柔軟性，又可耐高電壓（其崩潰電壓比PZT高約100倍）。氧化鋰鈮單晶具有高機(jī)電耦合及極低的聲波衰減系數(shù)，容易激發(fā)高頻表面聲波，是用來制作表面聲波（簡(jiǎn)稱SAW）組件的最佳材料。這些組件在訊號(hào)處理系統(tǒng)與通信系統(tǒng)上具有不可取代的地位。下面針對(duì)壓電陶瓷的應(yīng)用加以描述。,27,壓電陶瓷實(shí)

17、際上是一種經(jīng)過極化處理的、具有壓電效應(yīng)的鐵電陶瓷。它是在1946年有人證實(shí)了鈦酸鋇陶瓷有鐵電性之后開始問世的：差不多十年之后，賈菲（Jaffe）等又發(fā)現(xiàn)了PbTi03-PbZrO2系（即所謂PZT系）為基的多元系壓電陶瓷和鈮酸鹽系壓電陶瓷。使壓電陶瓷的性能和可應(yīng)用性有了極大的提高。特別是三元系壓電陶瓷的出現(xiàn)，使壓電陶瓷在選擇一定耦合系數(shù)、溫度特性方面有了較大的余地，能滿足多種電子儀器的要求，從而使壓電陶瓷的應(yīng)用范圍大大增加了。例如陶瓷濾波器和陶瓷鑒頻器，電聲換能器，水聲換能器，聲表的波器件，電光器件，紅外探測(cè)器件和壓電陀螺等，都是壓電陶瓷在現(xiàn)代電子技術(shù)中的應(yīng)用。,28,1880年法國(guó)人居里兄弟

18、發(fā)現(xiàn)了“壓電效應(yīng)”。1942年，第一個(gè)壓電陶瓷材料鈦酸鋇先后在美國(guó)、前蘇聯(lián)和日本制成。1947年，鈦酸鋇拾音器第一個(gè)壓電陶瓷器件誕生了。50年代初，又一種性能大大優(yōu)于鈦酸鋇的壓電陶瓷材料-鋯鈦酸鉛研制成功。從此，壓電陶瓷的發(fā)展進(jìn)入了新的階段。60年代到70年代，壓電陶瓷不斷改進(jìn)，逐趨完美，如用多種元素改進(jìn)的鋯鈦酸鉛二元系壓電陶瓷，以鋯鈦酸鉛為基礎(chǔ)的三元系、四元系壓電陶瓷也都應(yīng)運(yùn)而生。這些材料性能優(yōu)異，制造簡(jiǎn)單，成本低廉，應(yīng)用廣泛。,29,壓電陶瓷對(duì)外力的敏感使它甚至可以感應(yīng)到十幾米外飛蟲拍打翅膀?qū)諝獾臄_動(dòng)，并將極其微弱的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。利用壓電陶瓷的這一特性，可應(yīng)用于聲納系統(tǒng)、氣象探測(cè)

19、、遙測(cè)環(huán)境保護(hù)、家用電器等方面。 如今壓電陶瓷已經(jīng)被科學(xué)家應(yīng)用到國(guó)防建設(shè)、科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)以及和人民生活密切相關(guān)的許多領(lǐng)域中，成為信息時(shí)代的多面手。,30,在航天領(lǐng)域，壓電陶瓷制作的壓電陀螺，是在太空中飛行的航天器、人造衛(wèi)星的“舵”。依靠“舵”，航天器和人造衛(wèi)星，才能保證其既定的方位和航線。傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺，壽命短，精度差，靈敏度也低，不能很好滿足航天器和衛(wèi)星系統(tǒng)的要求。而小巧玲瓏的壓電陀螺靈敏度高，可靠性好。,31,在潛入深海的潛艇上，都裝有人稱水下偵察兵的聲納系統(tǒng)。它是水下導(dǎo)航、通訊、偵察敵艦、清掃敵布水雷的不可缺少的設(shè)備，也是開發(fā)海洋資源的有力工具，它可以探測(cè)魚群、勘查海底地形地貌等。在

20、這種聲納系統(tǒng)中，有一雙明亮的“眼睛”壓電陶瓷水聲換能器。當(dāng)水聲換能器發(fā)射出的聲信號(hào)碰到一個(gè)目標(biāo)后就會(huì)產(chǎn)生反射信號(hào)，這個(gè)反射信號(hào)被另一個(gè)接收型水聲換能器所接收，于是，就發(fā)現(xiàn)了目標(biāo)。目前，壓電陶瓷是制作水聲換能器的最佳材料之一。,32,在醫(yī)學(xué)上，醫(yī)生將壓電陶瓷探頭放在人體的檢查部位，通電后發(fā)出超聲波，傳到人體，碰到人體的組織后產(chǎn)生回波，然后把這回波接收下來，顯示在熒光屏上，醫(yī)生便能了解人體內(nèi)部狀況。 在工業(yè)上，地質(zhì)探測(cè)儀里有壓電陶瓷元件，用它可以判斷地層的地質(zhì)狀況，查明地下礦藏。還有電視機(jī)里的變壓器電壓陶瓷變壓器，它體積變小、重量減輕，效率可達(dá)60%80%，能耐3萬伏的高壓，使電壓保持穩(wěn)定，完全消

21、除了電視圖像模糊變形的缺陷?，F(xiàn)在國(guó)外生產(chǎn)的電視機(jī)大都采用了壓電陶瓷變壓器。一只15英寸的顯像管，使用75毫米長(zhǎng)的壓電陶瓷變壓器即可。這樣就使電視機(jī)體積變小、重量減輕了。,33,壓電陶瓷也廣泛用于日常生活中。用兩個(gè)直徑3毫米、高5毫米的壓電陶瓷柱取代普通的火石制成的氣體電子打火機(jī)，可連續(xù)打火幾萬次。利用同一原理制成的電子點(diǎn)火槍是點(diǎn)燃煤氣爐極好的用具。還有一種用壓電陶瓷元件制作的兒童玩具，比如在玩具小狗的肚子中安裝壓電陶瓷制作的蜂鳴器，玩具會(huì)發(fā)出逼真有趣的聲音。 隨著高新技術(shù)的發(fā)展，壓電陶瓷的應(yīng)用必將越來越廣闊。除了用于高科技領(lǐng)域，它更多的是在日常生活中為人們眼務(wù)，為人們創(chuàng)造更美好的生活。,34,

22、7、電致伸縮 電介質(zhì)受到外電場(chǎng)的作用，微觀上結(jié)構(gòu)的各個(gè)單元將出現(xiàn)電偶極矩，這個(gè)電偶極矩將受到在此微觀區(qū)域內(nèi)微觀電場(chǎng)的作用，反應(yīng)到宏觀上可以表達(dá)為下式 式中：P為介質(zhì)的極化強(qiáng)度， 為宏觀上的電場(chǎng)梯度。 實(shí)際應(yīng)用中，如果考慮到電介質(zhì)的可壓縮性，介電常數(shù) 將不再是一個(gè)常數(shù)，它是密度 的函數(shù)，那么電場(chǎng)產(chǎn)生的體積力表達(dá)為,35,由于體積力可以和應(yīng)力之間可相互轉(zhuǎn)換，上式則表明任何電介質(zhì)受到電場(chǎng)的作用都會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力，這個(gè)應(yīng)力將使電介質(zhì)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變。由上式可見這個(gè)應(yīng)力與電場(chǎng)的平方成正比，根據(jù)應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系，產(chǎn)生應(yīng)變也是與電場(chǎng)的平方成正比，這種在外電場(chǎng)作用下電介質(zhì)所產(chǎn)生的與場(chǎng)強(qiáng)二次方成正比的應(yīng)變，稱為電致

23、伸縮。,36,這種效應(yīng)是由電場(chǎng)中電介質(zhì)的極化所引起的，并可以發(fā)生在所有的電介質(zhì)中。其特征是應(yīng)變的正負(fù)與外電場(chǎng)方向無關(guān)。在壓電體中外電場(chǎng)還可以引起另一種類型的應(yīng)變，其大小與場(chǎng)強(qiáng)成比例，當(dāng)外場(chǎng)反向時(shí)應(yīng)變正負(fù)亦反號(hào)。后者是壓電效應(yīng)的逆效應(yīng)，不是電致伸縮。外電場(chǎng)所引起的壓電體的總應(yīng)變?yōu)槟鎵弘娦?yīng)與電致伸縮效應(yīng)之和。 總結(jié)：電致伸縮效應(yīng)與壓電效應(yīng)的區(qū)別在于：前者是二次效應(yīng)，在任何電介質(zhì)中均存在；而后者是一次效應(yīng)，只可能出現(xiàn)在沒有對(duì)稱中心的電介質(zhì)中。,37,電致伸縮效應(yīng)一般比較微弱，因此長(zhǎng)期以來一直未能在應(yīng)用上引起注意。1979年后，在高介電常數(shù)材料以及略高于居里點(diǎn)的鐵電材料中發(fā)現(xiàn)具有特別大的電致伸縮應(yīng)變

24、。而后找到了一些可供技術(shù)應(yīng)用的固體電致伸縮材料。由于其重復(fù)性好、響應(yīng)時(shí)間快以及溫度穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于精密的微小位移調(diào)制器。這種微小位移調(diào)制器在精密機(jī)械、光學(xué)顯微鏡、天文望遠(yuǎn)鏡和自動(dòng)控制等方面有重要用途。,38,8、光學(xué)效應(yīng) （1）色散現(xiàn)象晶體的折射率與光的頻率（波長(zhǎng)）有關(guān)，當(dāng)外場(chǎng)頻率（）固有振動(dòng)頻率（0）時(shí)，折射率n隨頻率的增加而增加，這就是色散現(xiàn)象。對(duì)于大部分透明物體，紫光下的折射率要比紅光下高百分之幾，當(dāng)然，實(shí)際電介質(zhì)的色散現(xiàn)象要復(fù)雜得多，這是因?yàn)閷?shí)際材料中引起色散現(xiàn)象的外層電子有很多種，其固有振動(dòng)頻率0并不相同。,39,（2）雙折射根據(jù)麥克斯韋方程可以證明，對(duì)應(yīng)于同一個(gè)波前法線方向

25、有2個(gè)面偏振的波在晶體中傳播。這兩個(gè)波的傳播速度v不同，因此可以把這兩個(gè)波的c/v1、c/v2（c光在真空中的速度；v光在媒質(zhì)中的速度；c/v = n透明物體的折射率）值稱為它們各自的折射率，這一現(xiàn)象就被稱為雙折射。 （3）非線性光學(xué)效應(yīng)材料中的束縛電子在激光的高電場(chǎng)強(qiáng)度作用下，將產(chǎn)生很大的非線性，即材料的極化強(qiáng)度P不再與電場(chǎng)強(qiáng)度E成正比，而要用E的冪指數(shù)表示，這就是材料的非線性光學(xué)效應(yīng)。,40,透明介質(zhì)材料在一般光線作用下，折射率與光強(qiáng)無關(guān)。光是一種電磁波，普通光的強(qiáng)度約為102V/m。若光強(qiáng)很高，例如采用高功率激光，其電場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)106109V/m以上，則某些材料的折射率便不再是常數(shù)了。 非線性光學(xué)常數(shù)是一個(gè)3階張量，因此也像壓電常數(shù)一樣，只有非中心對(duì)稱的晶體才能出現(xiàn)非線性光學(xué)效應(yīng)。,41,從技術(shù)領(lǐng)域到研究領(lǐng)域，非線性光學(xué)的應(yīng)用都是十分廣泛的。例如： 利用各種非線性晶體做成電光開關(guān)和實(shí)現(xiàn)激光的調(diào)制。 利用二次及三次諧波的產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)激光頻率的轉(zhuǎn)換,獲得短至紫外、真空紫外，長(zhǎng)至遠(yuǎn)紅外的各種激光；同時(shí)，可通過實(shí)現(xiàn)紅外頻率上的轉(zhuǎn)換來克服目前在