1、鐵電材料及其應用,目錄,引言 鐵電薄膜的晶體結(jié)構(gòu) 鐵電薄膜的電性能 鐵電薄膜的應用 總結(jié),什么是鐵電材料？,鐵電體,鐵磁體,具有自發(fā)磁化的現(xiàn)象,壓電材料和鐵電材料,壓電材料,壓電材料：機械能與電能相互轉(zhuǎn)換的功能材料。,鐵電材料：具有壓電效應材料中，能自發(fā)極化的一類材料。,熱釋電材料,壓電材料,一般介電材料,壓電材料,熱釋電材料,鐵電材料,在晶體中，如果晶胞中正負電荷中心不重合，即每一個晶胞具有一定的固有偶極矩，由于晶體結(jié)構(gòu)的周期性和重復性，晶胞的固有偶極矩便會沿同一方向排列整齊，使晶體處于高度極化狀態(tài)。這種在無外電場作用下存在的極化現(xiàn)象稱為自發(fā)極化,鐵電材料的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀,羅息鹽時期發(fā)現(xiàn)鐵電

2、性 KDP時期熱力學理論 鈣鈦礦時期軟模理論 鐵電薄膜及其器件時期小型化,鐵電薄膜的晶體結(jié)構(gòu)及自發(fā)極化,氧八面體排列,A = 11=1,B = 81/8=1,O = 61/2=3,原胞,鈦酸鋇晶體及自發(fā)極化,鈦酸鋇的氧八面體結(jié)構(gòu),立方晶相：a = b = c， = = = 90 四方晶相：a = b c， = = = 90 正交晶相： a b c = = = 90 三角晶相：a = b = c = = 90,自發(fā)極化的微觀機制,極軸導致自發(fā)極化 熱運動引起的自發(fā)極化 有序無序型極化,氧八面體空腔體積大于鈦離子體積，給鈦離子位移的余地。,由熱運動導致的自發(fā)極化,較高溫度時，鈦離子熱振動能較大，難

3、于在偏離中心的某一個位置上固定下來，接近六個氧離子的幾率相等，晶體保持高的對稱性，自發(fā)極化為零。,較低溫度時，鈦離子熱振動能降低，因熱漲落，熱振動能特別低的離子占很大比例，其能量不足以克服氧離子電場作用，有可能偏離平衡位置向某一個氧離子靠近，偶極矩間的相互作用使偏離平衡位置的離子在新平衡位置上固定下來，并使這一氧離子出現(xiàn)強烈極化，發(fā)生自發(fā)極化，使晶體順著該方向延長，晶胞發(fā)生輕微畸變，由立方變?yōu)樗姆骄w。,鐵電薄膜的電性能,介電性 壓電性 熱釋電性 鐵電性,介電性,介電性的表示 = 實部：介電常數(shù)代表了電介質(zhì)的極化程度，也就是對電荷的束縛能力，介電常數(shù)越大，對電荷的束縛能力越強。 虛部：材料內(nèi)部

4、的各種轉(zhuǎn)向極化跟不上外高頻電場變化而引起的各種弛豫極化所致，代表著材料的損耗項，通常用損耗角正切tan表示。 = (1j tan),壓電性,壓電效應：當晶體受到機械力的作用時，表面將產(chǎn)生束縛電荷，電荷密度的大小和所受到的機械力成線性關(guān)系，這種由機械力產(chǎn)生電效應的過程稱之為壓電效應。,力 形變 電壓 正壓電效應,電壓 形變 逆壓電效應,壓力,壓力,極化面,V,壓電效應及可逆性,(1)壓電單晶典型 代表石英晶體,壓電效應的物理機制,晶體內(nèi)部正負離子的偶極矩在外力的作用下由于晶體的形變而被破壞，導致使晶體的電中性被破壞，從而使其在一些特定的方向上的晶體表面出現(xiàn)剩余電電荷而產(chǎn)生的。,逆壓電效應和電致伸

5、縮效應的區(qū)別,電致伸縮效應： 晶體在外界電場E的激勵下產(chǎn)生形變S， S 這種效應稱為電致伸縮效應。,與逆壓電效應的區(qū)別,E,S,逆壓電效應,電致伸縮效應,熱釋電性,熱釋電性：由于溫度的變化，晶體出現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的電荷中心相對位移，使自發(fā)極化強度發(fā)生變化，從而在兩端產(chǎn)生異號的束縛電荷，這種現(xiàn)象稱之為熱釋電性,壓電體和熱釋電體的區(qū)別和聯(lián)系,區(qū)別 因為溫度變化引起晶體脹縮無方向性，因此由政府電荷中心位移產(chǎn)生的壓電晶體并不產(chǎn)生熱釋電效應,聯(lián)系 雖然溫度變化引起晶體脹縮無方向性，但是由于自發(fā)極化偶極矩的存在使熱釋電晶體具有壓電效應,鐵電性,電疇的概念 疇：原子或離子有序排列的區(qū)域，疇與疇之間的邊界叫做疇壁。,

6、E,90疇壁,180疇壁,A,B,O&C&F,D,E,改進型的Sawyer & Tower 電路,Sawyer & Tower 電路,因為Cx和C0是串聯(lián)的，故兩個電容器上的電荷是一樣多的，即： Qx =Qc=Q, 1 = 2, 2 = 1 / C = Q/C = AD/C,因為樣品的有效面積A和電容C是已知的，A/C為常數(shù) 故U2與電位移D成正比。對于壓電陶瓷，r1，故DP， 因此U2與P成正比,電容器上的電壓U2接到示波器的垂直致偏電極上，垂直幅度Uy與電壓U2成正比，也就是說，示波器垂直幅度與電位移D（或極化強度P）成正比。,水平致偏電極則接到電位器W的滑動接點上，由于CCx，故UU1，

7、因此水平致偏電極之間的水平幅度電壓Ux正比于試樣兩端的電壓U1，而試樣兩端的電場強度E=U1/d，因此在示波器上可以觀察到P-E（或D-E）曲線，即電滯回線。,居里溫度：鐵電順電轉(zhuǎn)變溫度,當溫度高于某一數(shù)值時，由于熱擾動，自發(fā)極化變?yōu)榱悖w將不再具備鐵電性，這一臨界溫度就稱為居里溫度Tc。 在居里點以下，由于存在自發(fā)極化，晶體呈現(xiàn)鐵電性，為鐵電相。居里電以上，材料為順電相。 BaTiO3的例子： 120 05 909 ,臨界特性,晶體在發(fā)生順電-鐵電相變或其它極化狀態(tài)發(fā)生變化的結(jié)構(gòu)相變時，晶體的一系列物理性質(zhì)發(fā)生反常變化。例如晶體的介電性質(zhì)、彈性、壓電性、光學性質(zhì)、熱學性質(zhì)等大都出現(xiàn)明顯的變化。晶體在相變點附近發(fā)生的各種性能反常變化通稱為臨界現(xiàn)象。,鐵電薄膜的應用,聲表面濾波器(Surface Acoustic Wave Filter) SAW換能器 熱釋電探測器 存儲器,壓電基片,吸聲材料,聲表面濾波器的一般結(jié)構(gòu)示意圖,聲表