【毕业学位论文】（Word原稿）铁电材料研究与进展-电子信息科学与技术

本科毕业论文 铁电材料研究与进展 王壮 王壮 200831120224 指导教师 徐初东 学院名称 理学院 专业名称 电子信息科学与技术 论文提交日期 2012 年 05 月 26 日 论文答辩日期 年 月 日 摘 要 具有铁电性，且厚度在数十纳米至数微米的薄膜材料称为铁电薄膜材料 。 铁电材料是一类重要的功能材料，是近年来高新技术研究的前沿与热点之一 。 这不仅是因为薄膜材料几何设计的可塑性，更重要的是铁电薄膜具有优越的介电性、压电性、电极化特性、热释电效 应、电光效应、高解电系数和非线性光学性质等一系列特殊性质，可以利用这些性质制作不同的功能器件，并可望通过铁电薄膜材料与其它材料的集成或复合，制作集成性器件 。 随着铁电薄膜制备技术的发展，使现代微电子技术与铁电薄膜的多种功能相结合，必将开发出众多新型功能器件，促进新兴技术的发展，因此对铁电薄膜的研究已成为国内、国际上新材料研究中的一个十分活跃的领域 。 90年代，随着微电子技术、光电子技术和传感器技术等的发展，对铁电材料提出了小型轻量、可集成等更高的要求从而使大批新型铁电薄膜器件或器件原型不断涌现 。 在铁电薄膜的许多 应用中，铁电存储器尤其引人注目 。 铁电薄膜存储器既有动态随机存储器 (速读写功能，又有可擦除只读存储器 (非易失性，还具有抗辐射、功耗和工作电压低、工作温度范围宽、易与大规模集成电路兼容等特点，因而在铁电随机存储器 (超大规模集成动态随机存储器 (铁电存储器全光存储器等领域有广阔的应用前景 。 关键词 铁电材料 制备技术 铁电薄膜 铁电体 目 录 1 引言 . 1 2 铁电材料概述 . 1 铁电材料概念 . 1 铁电体 . 2 自发极化 . 2 电滞回线 . 2 铁电体的分类 . 4 发展历史与现状 . 5 3 铁电薄膜的制备方法 . 9 物理制备方法 . 10 化学制备方法 . 11 金属有机化合物气相沉积 (. 11 溶胶 凝胶 ( . 11 4 铁电薄膜的晶体结构 . 12 钙钛矿型结构 . 12 钨青铜型结构 . 12 铌酸锂型结构 . 13 烧绿石型结构 . 14 含铋层状结构 . 14 5 铁电薄膜的电性能 . 16 电性 . 16 电常数和损耗 . 16 电性 . 17 电材料的发展历史 . 17 电效应 . 18 释电性 . 18 释电效应 . 18 释电系数 . 18 6 铁电薄膜的应用 . 19 7 铁电材料的研究 . 22 铁电材料的研究背景 . 22 铁电材料的研究方法 . 23 象理论 . 23 软模理论 . 24 铁电材料的研究现状 . 24 尺 寸效应和表面界面效应 . 25 金属或半导体电极间的铁电薄膜 . 26 铁电聚合物和复合材料的研究 . 27 集成铁电体的研究 . 27 8 结论与展望 . 28 致 谢 . 30 参 考 文 献 . 错误 !未定义书签。 . 32 1 1 引言 一般认为 ， 铁电性的研究始于 1920 年，是 法国人 现的铁电现象，他观察到罗息盐（酒石酸钾钠， 4极化可以在施加外电场的情况下反向 。1935，苏联的 G P制出水溶性压电晶体磷酸二氢钾( 简称 和磷酸二氢氨 ( (称 在四十年代得到了广泛应用 ,对铁电材料的发展起了很大的推动作用 。 目前 ,世界上的铁电元件的年产值己达数百亿美元 。 铁电材料是一个比较庞大的家族，目前应用得最好的是陶瓷系列 。 但是由于铅的有毒性及此类铁电材 料居里温度低 、 耐疲劳性能差，铁电极化的保持力问题：铁电薄膜与衬底及电极之间的界面态问题；铁电薄膜的漏电流问题等原因 ,应用范围受到了限制 。 开发新一代铁电材料己成为当今的热门问题 。 2 铁电材料概述 铁电材料概念 铁电材料，是热释电材料中的一类 。 它具有自发极化，而且在一定温度范围内，自发极化能够随外施电场的方向而改变 。 它的极化强度 P 与外施电场强度 E 的关系 曲线 如图所示，与铁磁材料的磁通密度与磁场强度 的关系曲线（ 线）极为相似 。 极化强度 P 滞后于电场强度 E,称为电滞曲线 。 电滞曲线是铁电材料的特征 。 即当 铁电晶体 二端加上电场 E 后，极化强度 P 随 E 增加沿 线上升，至 B 点后 P 随 E 的变化呈线性 (段 )。 E 下降， P 不沿原曲线下降，而是沿 线下降 。 当 E 为零时，极化强度 P 不等于零而为 为剩余极化强度 。 只有加上反电场 P 方等于零， 为铁电材料的矫顽电场强度 。 成 整个电滞曲线 。 铁电晶体是由许多小区域 (电畴 )所组成，每个电畴内的极化方向一致， 2 而相邻电畴的极化方向则不同 。 从宏观来看，整个晶体是非极化的，呈中性 。 在外电场作用下，极化沿电场方向的电畴扩大 。 当所有电畴都沿外电场方向，整个晶体成为单畴晶体，即到达图上饱和点 B,当外电场继续增加 ,此时晶体只有电子和离子极化 ,与普遍电介质一样， P 与 E 成直线关系（ ），延长 线交 P 轴于 T,相应的极化强度 为该晶体的 自发 极化强度 。 在某一温度以上，铁电材料的自发极化即消失，此温度称为居里点 。 它是由低温的铁电相改变为高温的非铁电相的温度 。 铁电体 铁电材料在实际应用中一般分为铁电体材料和铁电薄膜材料 。 自发极化 铁晶体管是电介质中一类特别重要的介晶体管 。 电介质的特性是：他们以感应而非以传导的方式传播电的作用与影响 。 按照这个意义来说，不能简单的认为电介质就是绝缘体 。 在电介质中起主要作用的是束缚着的电荷，在电的作用下，他们以正、负电荷重心不重和的电极化方式传递和纪录电的影响 。 而铁晶体管是 即使没有外加电 场，也可以显现出电偶极距的特性 。 因其每单位晶胞带有电偶极矩，且其极化率与温度有关 。 电滞回线 极化强度 P 和外电场 E 间的关系构成电滞回线 。 一般而言，晶体的压电性质与自发极化性质都是由晶体的对称性决定的，可是对于铁晶体管，外电场能使自发极化反向的特征却不能由晶体的结构来预测，只能透过电滞回线的测定（或介电系数的测定）来判断 。 电滞回线表示铁晶体管中存在畴 。 铁晶体管通常是由许多称为畴的区域所组成，而在每一个畴里面有相同的极化方向，而与邻近的畴其极化方向不同 。 如果是多晶体，由于晶粒本身的取向是任意的， 不同畴中极化强度的相对取向可以是没有规律的 。 但若是单晶体，不同畴中极化强度取向之间存在着简单的关系 。 为明确起见，这里只考虑单晶体的电滞回线，并且设极化强度的取向只有两种可能，亦即沿某轴的正向或负向 。 假设在没有外电场的存在下，晶体的总电矩为零，及晶体的两类畴中极化强度方向 3 互为相反平行 。 当外电场施加于晶体时，极化强度沿电场方向的畴变大，而与其反平行方向的畴则变小 。 这样，极化强度 P 随外电场 E 增大而增大，如图中 曲线所示 。电场强度的继续增大，最后使晶体只具有单个的畴，晶体的极化强度达到饱和，这相当余图中 C 附近 的部分，将这线性部分推延至外场为零的情形，在纵轴 P 上所得的杰具称为饱和极化强度（即 E 点） 。 实际上，这也是每个畴原来已经存在的极化强度 。 因此饱和极化强度是对每个畴而言的 。 如电场自图中 C 处开始降低，晶体的极大 P 值亦随之减小，但在零电场时，仍存在剩余极化强度（即 D 点） 。 必须注意，剩余极化强度是对整个晶体而言的 。 当点场反向达到矫顽电场强度时（即 F 点），剩余极化全部消失，反向电场的值继续增大时，极化强度反向 。 如果矫顽电场强度大于晶体的击穿场强，那么在极化反向之前晶体已被电击穿，便不能说该晶体具有铁电性 。 介电常数 当 温度高于某一临界温度时，晶体的铁电性消失，并且晶格亦发生转变，这一温度是铁电体的居里点 。 由于铁电性的出现或消失，总伴随着晶格结构的改变，所以这是个相变过程 。 当晶体从非铁电相（称顺电相）向铁电相过渡时，晶体的许多物理性质皆呈反常现象 。 对于一阶相变常伴随有潜热的发生，对于二阶相变则出现比热的突变 。 铁电相中自发极化强度是和晶体的自发电致形变相关，所以铁电相的晶格结构的对称性要比非铁电相（顺电相）的为低 。 如果晶体具有两个或多个铁电相时，表征顺电相与铁电相之间的一个相变温度，统称为过渡温度或转变温度 。 （在此附近时，介 电系数常有迅速陡降的现象） 。 由于极化的非线性，铁电体的介电系数不是常数，而是依赖于外加电场的一边，以电滞回线中 线在原点的斜率来代表介电系数，即在测量介电系数 时，所加的外电场很小 。 铁电体在过渡温度附近，介电系数 具有很大的值，当温度高于居里点时，介电系数随温度变化的关系遵守居里 中 称为居里外斯温度，他一般略低于居里点， C 称为居里常量，而 代表电子极化对介电系数的贡献，在过渡温度时， 可以忽略 。 4 铁电体的分类 1894 年 道了罗息盐具有异常大的压电常数， 1920 年 察到了罗息盐晶体（斜方晶系）铁电电滞回线， 1935 年、 1942 年又发现了 磷酸二氢钾 （ 其类似晶体中的铁电性与 钛酸钡 （ 瓷的铁电性 。 迄今为止，已发现的具有铁电性的材料，就有一千多种 1。 （ 1）结晶化学分类 含有 氢键 的晶体：磷酸二氢钾（ 三甘氨酸 硫酸盐 （ 罗息盐（ 。这类晶体通常是从水溶液中生长出来的，故常被称为水溶性铁电体，又叫软铁电体； 双氧化物晶体：如 ，这类晶体是从高温熔体或熔盐中生长出来的，又称为硬铁电体 。 它们可以归结为 K+、 子处于 A 位置，而 子则处于 B 位置 。 （ 2）按极化轴多少分类 沿一个晶轴方向极化的铁电体：罗息盐（ ； 沿几个晶轴方向极化的铁电晶体： （ 3）按照在非铁电相时有无 对称中心 分类 非铁电相无对称中心：钽铌酸钾（ 磷酸二氢钾（ 的晶体 。 由于无对称中心的晶体一般是压电晶体，故它们都是具有 压电效应 的晶体； 非铁电相时有对称中心：不具有压电效应，如 酸三甘肽）以及与它们具有相同类型的晶体 。 （ 4）按相转变的微观机构分类 位移型转变的铁电体：这类铁电晶体的转变是与一类离子的亚点阵相对于另一亚点阵的 整体位移相联系 。 属于位移型铁电晶体的有 面体 结构的双氧化物； 有序 无序型转变的铁电体：其转变是同离子个体的有序化相联系的有序 类晶体中质子的运动与铁电性有密切关系 。 如磷酸二氢 5 钾（ 其同型盐就是如此 。 （ 5） 维度模型 分类法 一维型 铁电体极性反转时，其每一个原子的位移平行于极轴，如 二维型 铁电体极性反转时，各原子的位移处于包含极轴的平面内，如 三维型 铁电体极性反转时在所有三维方向具有大小相近的位移，如发展历史与现状 关于铁电的发展历史，大体可以分为以下四个阶段 2。 1、罗息盐时期一发现铁电性 1919 年， 美国明尼苏达州大学读研究生，师从物 理学 家 从事宇宙射线物理理论研究 工作而闻名于世的 授建议 究罗息盐单晶的物理性能 。 在接下来的两年里， 量了罗息盐的线性介电响应、非线性介电性能、压电性能、热释电现象等宏观性能 。 1920 年 4 月 23 日在华盛顿举办的美国物理学会会议上，铁电性概念诞生了 。 告中指出：电位移 D、电场强度 E、极化强度尸分别类比于磁学中的、和，罗息盐中 P 与 E 之间存在的回线与磁滞回线类似 。 1921 年，该报告全文发表 在 刊上 。 它奠定了两个里程碑：(1)第一次表明罗息盐自身存在持久极化； (2)首次给出电荷与电场之间的回线 (见图 2)。在介电领域使用自发极化和居里点这两个概念的第一人 。 有趣的是，他从未使用过铁电性 (个词 。 也许他并不知道 。 在 19著名的欧文 薛定谔就已经提出了这一概念 。 6 图 2 公开出版的首条电滞回线 2、 期一铁电热力学理论 1931 年比利时布鲁塞尔大学的物理化学教授 表了一篇论文，文中指出罗息盐 的介电常数随外加电场频率的变化呈典型的反常色散现象 。 其实 AM在1919 年就发表了关于罗息盐强烈谐振曲线的论文，但 瑞士苏黎世的物理学家都不知道 。 他们认为特别宽的色散曲线不会是分子共振引起的，并决定重复 实验 。学生 G此问题作为其博士学位论文进行了研究 。 找到与此问题相关、在 1897 年至 1932 年出版的文章仅约 20 篇 。 其中包括 G文章 In 量了 前面两种盐的值很平常，分别为 0。 但这些材料都不含结晶水因而没有引起 重视 。 在经过诸多失败后，他才研究于 3 月 13 日采用简易的电桥观察到超过量程的大电容 。 随后，柏林做低温实验，证明 关于 。 7 图 3 第一条 温度关系曲线 在理论研究方面， 先将热力学理论应用于铁电体 。 VL郎道(变理论应用于 迈出了将这一理论应用于更一般情况的第一步 。 德文希尔 (其进行完善， 发展 为今天仍行之有效的郎道一德文希尔理论 。 3、钙钛矿时期一铁电软模理论 电性的发现主要源于战争期间对 电子 元器件 (尤其是电容器 )的研究 。 众所周知，金红石具有高介电常数 ( 100)，当时有几个实验室试图将 其他氧化物 (特别是碱土金属氧化物 )共烧制备高介电常数陶瓷 。 有四个国家独立地发现了 (1)美国 1941 年报道了通过烧结 备的陶瓷具有高介电常数 。 经测试介电常数高达 1 (2)英国 1942 年就发现了碱土金属钛酸盐具有高介电常数 。 由于战争时期保密限制使得发表时间推迟至 1945 年 。 而且在最初的出版物中并没有提及铁电性 。 (3)俄国报道 了 反常介电行为 。 虽然研究者意识到这是铁电现象，但是他最初猜测反常行为是由高介电介质中的介电击穿引起的 。 不过 ， 他们很快明白发现了一种新的铁电体，并找出了居里一外斯定律，测定了电滞回线 。 (4)日本也发现了 反常介电行为 。 日本从战前到二战期间一直进行着罗息盐的研究 。 第一种不含氢且不溶于水的铁电体 。 此后，陆续发现了其他钙钛矿铁 8 电体，例如 1949 年 )， 949 年 )， 1950 年 )。 至 20 世纪 50 年代末，大约有100 种化合物被发现具有铁电性 。 截至 1990 年，已知的铁电体约为 250 种 。 1958 年 11 月在莫斯科召开的苏联第二届电介质会议上 出了软模理论，而 独立地进行了更详细的研究 。 用红外光谱以及随后的用非弹性中子散射进行了实验验证 。 截至 1970 年关于铁电相变晶格动力学的主要思想已经阐明 。 4、铁电薄膜及器件时期一小型化 虽然二战时 已经用于器件中且随后铁电材料被广泛应用于生产多种器件，但是， 90 年代以前并没有器件真正用到铁电材料的铁电性，而是利用铁电材料的其他性质主要是压电性和热释电性 。 80 年代中期薄膜制备技术取得了突破性进展，基本扫清了制备高质量铁电薄膜的技术障碍 。 由于铁电薄膜具有介电性、压电性、热释电性、铁电性以及电光效应、声光效应、光折变效应和非线性光学效应等重要特性，人们单独利用其中某一性质或综合利用多种特性研制出了众多的铁电薄膜器件 (见表 1)。 表 1 铁电薄膜性质与相应器 件 性质 主要器件 介电性 薄膜陶瓷电容器，与硅太阳能电池集成的储能电容器，动态随机存取存储器 (微波器件 (谐振器、探测器、波导 )， 致发光器件，薄膜传感器 压电性 声表面波 (件，微型压电驱动器，微型压电马达 热释电性 热释电探测器及探测列阵 铁电性 铁电随机存取存储器 (铁电激光光盘，铁电神经网络元件，铁电记录信用卡 电光效应 全内反光开关，光波导，光偏转器，光调制器，光记忆与显示器 声光效应 声光偏转器 光折变效应 光调制器，光全息存储器 9 随着整机和系统向着小型化、轻量化方向发展，微电子、光电子、微电子机械等对铁电材料提出了小型化、薄膜化、集成化等要求 。 在此背景下，铁电材料与工艺和传统的半导体材料与工艺相结合而形成了一门新兴的交叉学科一集成铁电学 。 同时，铁电材料及器件的研究发生了两个重要的转变：一是由单晶器件向薄膜器件发展：二是由分立器件向集成化器件发展 。 3 铁电薄膜的制备方法 铁电陶瓷薄膜的制备方法大体可分为物理方法和化学方法两大类 。 每种方法均有各自的物质运输、反应动力学及薄膜形成机理等问题 。 表 2列出了铁电薄膜常用制备方法及其特点 。 表 2 铁电薄膜常用制备方法及特点 方法 射法 材料 溶液 陶瓷 晶体 溶液 成膜温度 低 低 低 低 制备时间 短 短 短 长 沉积温度 室温 700 室温 700 室温 700 室温 非线性光学效应 光学倍频器 (二次谐波发生 ) 10 退火温度 500800 500700 500700 500700 膜厚 薄 薄 薄 薄 组分分布 均匀 均匀 均匀 均匀 组分 保持 保持 保持 偏离 晶化方式 后续退火 高取向 一般 后续退火 后续退火 后续退火 结晶性能 高取向 高取向 高取向 致密度 一般 好 好 设备损耗 高 高 高 高 物理制备方法 物理方法包括真空蒸发、磁控溅射、离子束溅射、分子束外延 (方法 。 物理方法制备薄膜不易引入杂质，污染少，薄膜沉积速率较高，成膜条件易于控制，可制备出高质量稳定的薄膜 。 现以溅射镀膜法为例做简单介绍 。 溅射镀膜法包括：射频溅射、磁控溅射及离子束 溅射等 。 溅射法的基本手段是利用荷能粒子轰击靶材表面，使固体原子 (或分子 )从表面射出形成溅射物流，沉积于基底表面形成薄膜 。 由于溅射物流具有较高 (十几至几十电子伏特 )的能量，到达基底表面后能维持较高的表面迁移率 。 11 化学制备方法 化学方法 3包括金属有机物化学气相沉积 (热解化学气相沉积 (热解 等离子体增强化学气相沉积 ( 激光诱导化学气相沉积 (溶胶 液相外延 ( 。 目前研究较多的是 化学 方法能严格控制化学计量比，工艺设备简单，所得薄膜的多项性能参数接近块材 。 金属有机化合物气相沉积 (该法是利用化学反应制作薄膜的技术，简称 术 。 是近二三十年来发展起来的一项薄膜材料制备技术 。 它主要通过气态物质在固体表面上进行化学反应生成固体沉积物而获得薄膜 。 利用金属有机化合物作为参与反应的气体，大大降低了反应所需的温度 。 近年来，等离子体辅助化学气相沉积 (等离子体增强化学气相沉积(电子回转共振等离子体增强化学气相沉积 (技术相继提出，并在薄膜的制备中发展很快 。 溶胶 该法的基本原理是在有机溶剂中加入含有所需 元素的化合物形成均匀溶液，溶液通水解与缩聚反应形成凝胶，再通过热处理 (干燥、预烧、烧结 )，除去凝胶中的剩余有机成分，最后形成所需的薄膜 。 要获得稳定的溶液，原料需具备条件：（ 1）金属含量高；（ 2）在溶剂中的溶解度大；（ 3）热处理时无熔化或蒸发现象；（ 4）室温时稳定，不浑浊，不沉淀，不凝聚；（ 5）制备多组元薄膜时，几种有机化合物互溶 。 见表 3。 表 3 采用溶胶 凝胶发制备的氧化物 薄膜的铁 电性 能 材料 基片 结构 i/i(100) 多晶 i/i 多晶 30 12 i/i 多晶，随机取向 5 t/i 多晶， 29 多晶，随机取向 0 i/i(100) 多晶，随机取向 0 i/i(100) 多晶 94 i/晶 - 400 i/i 多晶 5 11)/i 多晶，（ 111）择优取向 12 4 铁电薄膜的晶体结构 钙钛矿型结构 钙钛矿型结构是指与钛酸钙类似的结构，许多有重要应用价值的晶体，如： 类化合物的化学通式为 A 和 B 为金属离子 。 在一个晶胞中， 子位于立方体的顶角上， 子位于体心， O 离子位于面心上 。 下面 以 说明钙钛矿型的晶体结构，见图 4 图 4 钙钛矿型结构 钨青铜型结构 13 化学式为： ( 式中 、钡和铅等；和钾等； B 为铌、钽和钛等 。 也可简写成 A 钨青铜结构有四方晶系和斜方晶系两种，前者单元原胞都含有 10 个 八面体，它们沿 C 轴方向共角相连 。 另一类为斜方晶系的钨青铜型结构可视为沿四方单胞的对角线进一步畸变而造成 。 如 青铜型结构 。 钨青铜型结构的化合物中许多具有特殊的电性能，是重要的电子陶瓷材料 。 图 5 钨青铜型结构 铌酸锂型结构 它为 如图 6。 图 6 铌酸锂型结构图 14 三方晶系 。 其中原子堆积为 积，并形成稍略变的氧八面体空隙 。 它有 1/3被 A 离子占有居， 1/3 被 B 离子占据，余下 1/3 则为空位 。 此类结构的主要特点是：阳离子 A 和 B 离子相近，且比氧离子半径小得多 。 如铌酸锂 酸锂（ 晶体属此种结构，具压电性，是重要的声表面波材料 ，在现代通信中有重要作用 。 烧绿石型结构 烧绿石是矿物学上的一类矿物 , 其通用化学表达式为 其中 , A 位可以容纳低价的离子半径为 0108701151阳离子 ( 系元素或 Y)等 )；而 B 位可以容纳有八面体配位的离子半径在 0104001078过渡金属离子 ( V， ) ;烧绿石中的阴离子一般是 基于离子尺寸和电荷考虑 ,烧绿石型结构有两种公认的组成 : (2 烧绿石 )和 (2(2 烧绿石 ) 。 结构图如图 7。 图 7 烧绿石型 结构图 含铋层状结构 15 铋层状结构化合物是由二维的钙钛矿和 ( +层按一定规则共生排列而成 。 化学通式为 ( +(1)2-, 其中 , A 为 K+、 适合 12 配位的 +1、 +2、 + 3、 + 4 价离子或由它们组成的复合离子 ,B 为 适合于八面体配位的离子或由它们组成的复合离子， m 为整数 , 称为层数，即钙钛矿层的层数，其值可为 1 5 以 例 , ( +为氧化铋层， ( 为钙钛矿层，在钙钛矿层中 A 为 ( B 为 m= 4 图 8 典型晶体结构示意图 16 5 铁电薄膜的电性能 3 电性 在外电场作用下，不导电的物体，即 电介质 ，在紧靠 带电体 的一端会出现异号的过剩电荷，另一端则出现同号的过剩电荷，这种现象称为电介质的 极化 。 如果将某一均匀的电介质作为 电容器 的介质而置于其两极之间，则由于电介质的极化，将使电容器的 电容量 比真空为介质时的电容量增加若干倍 。 物体的这一性质称为 介电性 ，其使电容量增加的倍数即为该物体的 介电常数 ，用以表示物体介电性的大小 。 电常数和损耗 介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱 电场 ，最终介质中电场与原外加电场 (真空中 )比值即为相对介电常数 ,又称相对电容率，以 r 表示 。 如果有高介电常数的材料放在电场中，场的强度会在电介质内有可观的下降 。 介电常数（又称电容率），以 表示，0* r，0为真空绝对介电常数，0=。 介电损耗是指电介质在交变电场中 ,由于消耗部分电能而使电解质本身发热的现象 。原因 ,电解质中含有能导电的载流子 ,在外加电场作用下 ,产生导电电流 ,消耗掉一部分电能转为热能 4。 当电介质突然受到静电场的作用时，往往要经过一段时间（称为弛豫现象）极化强度才能达到其最终值 。 这种现象称 为极化弛豫 。 一般说来，位移极化值在瞬间即可达到；极化弛豫主要是由于取向极化（和空间电荷极化）所造成的 。 如果介质受交变电场的作用，而交变电场的改变相当迅速时，极化就会追随不及而滞后，从而成为介质损耗的原因之一，并且导致了动态介电常数和静态介电常数的不同 。 介质漏电是介质损耗的另一个原因，特别是在高温或强电场作用下 。 通常以电介质中存在一个损耗电阻 表示电能的消耗 。 这样，就等于把通过介质的电流分成消耗能量的部分 C。 定义介质损耗角正切为： 17 1式中 代表交变电场的角频率， 就是带有电极的介质样品的静电容值 。 因为 介质中能量损耗成正比，往往也就把 做损耗因子或直接叫做介电损耗 。 电性 电材料的发展历史 1880年居里兄弟发现，在石英 晶体 的特定方向上施加压力或拉力会使石英晶体表面出现电荷，并且电荷的密度与施加外力的大小成比例，这就是压电体的正压电效应，从此便开始了压电学的历史 。 随后， 1881年居里兄弟又通过实验验证了逆压电效应，并且获得了石英晶体的正逆压电系数 。 1894年沃伊特指出，介质具有压电性的条件是其结构不具有对称中心 。 而在 32类点群中只有 20类点群不具有对称中心，属于这 20类点群的电介质才可能是压电体 。 石英是压电晶体的代表，利用石英的压电效应可以制成振荡器和 滤波器 等频控元件 。在第一次世界大战中，居里的继承人朗之万为了探测德国的潜水艇，用石英制成了水下超声探测器，从而揭开了压电应用史的光辉篇章 。 除了石英晶体外，罗息尔盐、 瓷 也付诸应用 。 1947年美国的罗伯特在 陶瓷上加高压进行极化处理，获得了的性能都非常有益 。 随着纳米技术的发展，细晶粒压电陶瓷材料的研究和应用正成为近期的热点 。 目前所用的压电陶瓷绝大部分为铅基压电陶瓷，这些陶瓷材料中氧化铅约占 70左右 。 由于氧化铅有毒 ，高温下易挥发，从而这类材料在制备、使用及后续废弃处理过程中都会给环境和人类生活带来危害 。 随着环境保护和人类社会可持续发展的要求，发展环境协调性的无铅铁电压电陶瓷材 料及技术是材料发展的趋势之一 。 目前对 钛酸铋钠 (铋层状结构以及铌酸盐四大类无铅压电陶瓷体系进行了大量的研究和开发工作 。 但总体上讲，无铅压电陶瓷与铅基压电陶瓷相比，还存在较大的差距，要获得与铅 18 基压电陶瓷性能相近的无铅体系压电陶瓷，还需要进行大量深入的研究工作 。 电效应 某些电介质在沿一定方向上受到纯粹的机械外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷 。 当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应 。 当