铁电压电-总复习2014

1、明德 博学守正 出奇铁 电 压 电 材 料 与 器 件铁电压电材料与器件铁电压电材料与器件总复习总复习主要内容主要内容一晶体结构及对称性二介电性质三铁电效应四弹性性质五压电效应六热释电效应七光学性质电介质材料电介质材料热释电材料热释电材料声表面波传感器声表面波传感器动态动态随机随机存储器存储器声光调制器声光调制器全息存储器全息存储器红外探测器红外探测器电光调制器电光调制器非挥发性存储器非挥发性存储器温度温度传感器传感器电介质材料的性能和应用电介质材料的性能和应用一、晶体结构及对称性一、晶体结构及对称性1.1 晶体晶体晶体结构晶体结构雪花雪花晶体：晶体：原子按一定的周期排列规则的固体，具有周期性

2、或平移对称性，也叫长程有序，例如：天然的岩盐、水晶以及人工的半导体锗、硅单晶。 自范性：晶体能自发地形成封闭的规则的几何多面形 晶面角守恒：同一晶体，任两个对应晶面的夹角不变 均匀性；晶体中任意两点的物理性质相同； 对称性；在某些特定方向上异向同性； 各向异性；不同带轴方向上晶体的物理性质不同； 解理性：晶体具有沿某些确定方位的晶面劈裂的性质； 固定的熔点：特定温度开始熔化，熔化过程温度不变。1.2 晶体的宏观特性晶体的宏观特性晶体的宏观特性是由晶体内部结构的决定的，是微观特性的反应。1.3 晶体的微观特征晶体的微观特征平移对称性平移对称性：在晶体中，相隔一定距离，总有完全相同的原子排列出现。

3、这种呈现周期性的整齐排列是单调的，不变的。也称为晶体的周期性。晶体结构空间点阵基元1.4 七大晶系的形成和转化七大晶系的形成和转化1.4 1.4 七大晶系、十四种布拉菲格子七大晶系、十四种布拉菲格子1.1.三斜晶系三斜晶系: : , cba 090cba2.2.单斜晶系单斜晶系: :3.3.三角晶系三角晶系: :0012090 cba简单三斜简单三斜( (1) )简单单斜简单单斜( (2) )底心单斜底心单斜( (3) )三角三角( (4) )4.4.正交晶系正交晶系: :090 cba简单正交简单正交( (5) )，底心正交，底心正交( (6) )体心正交体心正交( (7) )，面心正交，面

4、心正交( (8) )5.5.四方晶系四方晶系: :090 cba简单四角简单四角( (9) )，体心四角，体心四角( (10) )6.6.六角晶系六角晶系: :0012090 cba六角六角( (11) )7.7.立方晶系立方晶系: :090 cba简立方简立方( (12) )，体心立方，体心立方( (13) )面心立方面心立方( (14) )v能使对称图形复原的动作称为对称操作对称操作，例如，对称轴的旋转，对称面的反映，对称中心点的反演（或倒反）等。v进行对称操作时，还必须依赖于一定的几何元素，这些几何元素在对称操作过程中保持不变，如对称中心、对称面、对称轴等，这些几何元素又称为对称元素对称

5、元素 晶体的八个基本对称元素晶体的八个基本对称元素晶体的对称性中有八种基本的对称操作：i， m ，1，2，3，4，6， 。 4AA i中心反演AA 晶面反映旋转晶体的对称性中有八种基本的对称操作：i， m ，1，2，3，4，6， 。 41.6 点群点群 晶体中，对称元素（或对称操作）可以同时存在集合叫做“对称群”。 对称操作总是有一点保持不动，不包括平移对称性的对称元素的集合叫做“点群”。 八种基本对称元素共有32种组合方式，即32种点群。二、介电性质二、介电性质2.1 电介质材料电介质材料定义定义: : 电介质材料一般是在外电场作用下可以建立极化的电介质材料一般是在外电场作用下可以建立极化的

6、一切物质，一般电阻率大于一切物质，一般电阻率大于10101010/cm/cm，是相对于，是相对于金属材料和半导体材料而区分的。金属材料和半导体材料而区分的。特点特点: : 内部没有自由移动的电荷，只有束缚电荷，在电内部没有自由移动的电荷，只有束缚电荷，在电场作用下要产生极化或极化状态改变，它以感应场作用下要产生极化或极化状态改变，它以感应的方式而不是以传导的方式传递电的作用。的方式而不是以传导的方式传递电的作用。常见的三种极化机制：常见的三种极化机制： 1.电子位移极化电子位移极化 2.离子位移极化离子位移极化 3.固有偶极矩取向极化固有偶极矩取向极化2.2 电子位移极化电子位移极化在电场作用

7、下，介质中的原子或离子的正负电荷中心不重合产生感应偶极矩，称为电子位移极化。PE电子云电子云原子核原子核2.3 离子位移极化离子位移极化在电场作用下，正负离子产生相对位移而产生感应偶极矩，称为离子位移极化。 EP2.4 2.4 取向极化取向极化组成介质的分子为有极分子，无外电场作用时，固有偶极矩无规则取向，偶极矩之和等于零。有外电场时，固有偶极矩将转向并沿电场方向排列而产生净偶极矩，称为取向极化。PH2O分子2.5 介电性质介电性质极化强度：单位体积内的电偶极矩的矢量和。 单位：C/m2 或 C/m2 =Pcos=Pn ：极化电荷面密度 Pn：极化强度在表面元的法线方向分量pPVEDEPPED

8、r000 ，各向同性与各向异性电介质的介电常数矩阵各向同性与各向异性电介质的介电常数矩阵zyxzyxEEE000000DDD各向同性电介质1个独立的介电常数zyx332313232212131211zyxEEEDDD各向异性电介质6个独立的介电常数，2.6 介电常数与对称性：介电常数与对称性：4次旋转轴次旋转轴Z 轴是四次轴，即表示当晶体绕Z轴转90、180 或270 后，晶体的性质保持不变。331111000000原坐标系：新坐标系：DE DE 具有对称性的意义： 111213212223313233xaaaxyaaayzaaaz 或：XA X 电场的变换：电位移的变换：EA E DA D

9、DE A DA E AE A E 1AA 仍以4点群为例说明。变换矩阵为：具有对称性的意义：1AA 010A100001 1010A100001 111213122223132333121113221223221223121113231333231333010010100100001001010100001 111213221223122223121113132333231333111133000000 对称性要求4点群介电常数的形式还可以采用“足标代换法”来确定晶体的独立介电常数。设转动前，晶体的坐标为o-xyz，绕z轴转90后，晶体的坐标为o-xyz。新旧坐标轴之间的关系为： xy，y-x

10、，zz用（1、2、3）来代表（x、y、z）有： 12，2-1，33 于是有：1122，2211，3333， 12-21，1323，23-13 z轴度旋转轴：足标变化：绕z轴旋转90后 ，xy, y-x, zz, 即 12, 2 -1,3390111213222123221223222311131113333333orotation 旋转后性质保持不变（对称性的要求） 330110011只适用于三个晶轴互相垂直的晶系：正交晶系，四方晶系和立方晶系。不能应用于其它晶系：三斜晶系，单斜晶系，三角晶系，六角晶系。坐标变换法可以应用于确定任何晶系的独立的介电常数的数目。2.9 静态介电常数与动态介电常数

11、静态介电常数与动态介电常数在静电场下测得的介电常数称为静态介电常数。在交变电场下测得的介电常数称为动态介电常数。动态介电常数的大小与测量频率有关。2.10 极化弛豫极化弛豫 极化弛豫：当电介质开始受静电场作用时，要经过一段时间后，极化强度才能达到相应的数值的现象，所经过的时间称为弛豫时间。 电子位移极化弛豫时间约10-15s,离子位移极化的很短10-12s, 取向极化的弛豫时间较长1 10-10s，所以极化弛豫主要是取向极化造成的。 当电介质受到交变电场的作用时，由于电场不断在变化，所以电介质中的极化强度也要跟着不断变化，即极化强度和电位移均将随时间作周期性的变化。2.11 介电损耗介电损耗

12、如果交变电场的频率足够低，取向极化能跟得上外加电场的变化，这时电介质的极化过程与静电场作用下的极化过程没有多大的区别。 如果交变电场的频率足够高，电介质中的极化强度就会跟不上外电场的变化而出现滞后，从而引起介电损耗。 介电损耗，就是在某一频率下供给介质的电能，其中有一部分因强迫固有偶极矩的转动而使介质变热，即一部分电能以热的形式而消耗。反映了微观极化的弛豫过程。 三、铁电性三、铁电性3.1 铁电体铁电体 铁电体的定义铁电体的定义： 具有自发极化自发极化且自发极化矢量在外电场下可以翻转翻转的电介质材料。铁电体的特性铁电体的特性： 1. 电滞回线 2. 居里温度 3. 临界特征 在没有外加电场作用

13、下，正负电荷重心不重合而呈现电偶极矩的现象。3.2 自发极化的产生自发极化的产生结构相变结构相变位移型铁电体位移型铁电体3.3电滞回线电滞回线自发极化强度自发极化强度 Ps剩余极化强度剩余极化强度Pr矫顽电场矫顽电场 Ec电滞回线电滞回线电滞回线：电滞回线：极化强度与外电场之间表现为滞后关系， 是判断材料是否具有铁电性的重要依据。 PE+EC+Pr- EC- Pr-PS+PS极化强度：单位体积内的电偶极子，单位C/m2 或C/cm23.4 居里温度居里温度居里温度：顺电相到铁电相的转变温度。顺电相顺电相： 居里温度以上，不具有铁电性的相。TCT3.5 临界特征临界特征临界特征临界特征： 铁电体

14、的介电、弹性、光学和热学性质等在 居里温度附近都要出现反常现象反常现象。正常铁电体正常铁电体-50050100 Temperature (oC)Dielectric constant 100 Hz 1 kHz 10 kHz 100 kHz 1000 kHz 弛豫铁电体弛豫铁电体3.6 铁电疲劳铁电疲劳Nature , 401,682(1999)nature materials, 3,365(2004)PZTBLT疲劳：在多次开关（极化翻转）后铁电材料中的可翻转畴减疲劳：在多次开关（极化翻转）后铁电材料中的可翻转畴减少、剩余极化强度少、剩余极化强度P Pr r 下降的现象下降的现象。铁电晶体在没

15、有外电场和外力作用下从顺电相过渡到铁电相时，将出现至少两个等价的自发极化方向，以便使晶体的总自由能最小。每一个极化方向相同的小区域称为铁电畴，分离电畴的边界称为畴壁畴壁。3.9 畴结构形成原因畴结构形成原因180 畴畴 形成形成180 畴有利于降低退极化能畴有利于降低退极化能。 形成形成90 畴有利于降低应变能。畴有利于降低应变能。3.10 BaTiO3的电畴与对称性的电畴与对称性三方相（三方相（3m）T-80 沿沿自发极化自发极化对称等效方向对称等效方向8个个,畴间夹角为畴间夹角为71 、109 和和180 。立方相（立方相（m3m）T1206个个方向方向四方相（四方相（4mm）0T120沿

16、沿自发极化自发极化对称等效方向对称等效方向6个个180 畴和畴和90 畴畴正交相（正交相（mm2）-80 T0沿沿自发极化自发极化对称等效方向对称等效方向12个个畴 间 夹 角 为畴 间 夹 角 为 6 0 , 90 120 和和180 。3.11 铁电畴的观察铁电畴的观察电畴结构观察方法：电畴结构观察方法： 光学技术腐蚀技术粉末沉淀法凝雾法液晶显示技术 热电技术 X射线技术 电子显微镜观察 高分辨透射电镜 电子全息术 Domain structures of CBN single crystal (Dark field images)C.J. Lu et al., Appl. Phys. L

17、ett. 88, 201906(2006)畴结构的观察 TEM暗场像C.L.Jia et al., Nat. Mater. 7,57(2008)HRTEM image of PZT films畴结构的观察 TEM高分辨像原位观察铁电体中畴结构随温度的变化规律002g220 oC240 oC258 oC196 oC 282386 C20 oCHeating coolingC.J. Lu et al., Appl. Phys. Lett. 88, 201906(2006)畴结构的动态观察 TEM原位观察畴结构的观察压电力显微镜（PFM）BTOBTOBTOShinichi Katayama, et

18、al., Adv. Mater., 19, 2552( 2007)畴结构的观察畴结构的观察光学显微镜光学显微镜200um50um(a)(b)a(b)b(a)a(b)b(a)(a) BT single crystal(a) BNdT single crystal铁电畴的极化反转铁电畴的极化反转极化反转过程主要由下列几个阶段组成：EE新畴成核新畴成核纵向生长纵向生长横向生长横向生长合并合并四、弹性性质四、弹性性质 压电铁电晶体是电介质，具有介电性质； 压电铁电晶体是弹性介质，具有弹性性质， 压电效应反映了它的介电性质和弹性性质之间的耦合作用。压电效应与介电、弹性性质的关系压电效应与介电、弹性性质的

19、关系4.1 塑性和弹性塑性和弹性塑性：塑性：外力撤消后，物体不能恢复原状。弹性：弹性：外力撤消后，物体能恢复原状。内力：内力：物体由于外因(受力、湿度、温度)而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。应力应力：受力物体截面上内力的集度，单位面积上的内力。外力外力外力外力内力内力4.2 正应力与切应力正应力与切应力正应力：正应力：施力方向垂直于受力面为正应力。切应力：切应力：施力方向与受力面积平行为切应力或剪应力。静应力：静应力：材料所受的外力不随时间而变化，其内部的应力大小不变。交变应力：交变应力：材料所受的外力随时间呈

20、周期性变化，这时内部的应力也随时间呈周期性变化。正应力正应力正应力正应力切应力切应力切应力切应力面积与力都是矢量面积与力都是矢量正应力（正应力（3个）个）xzyxxzzyy2 = / ()FN mPaA，单位或张应力张应力压应力压应力第一个下标：面； 第二个下标：力切应力（切应力（6个）个）yxzzy =yzFAxz =zxxy =yx应力张量应力张量为了方便记忆与描述：角标xx yyzzyz =zyxz = zxxy=yx 双脚标11 22 33 233112单角标T1T2T3T4T5T6(6个独立分量个独立分量)12xx1112133212223431323356=xyxzyxyyyzzx

21、zyzzTTTTTTT应力张量应力张量矩阵表达形式矩阵表达形式4.4 应变应变 形变形变： 在外力作用下，物体的大小和形状发生变化。 应变应变： 物体内任一点因各种作用引起的相对变形。及变形前后 的改变量与原物理量之比。又可分为线应线应变和切应变。变和切应变。 应力与应变应力与应变FFFFFFFF正应力正应力正应变正应变切应力切应力切应变切应变正应变 S = x / lxlFF切应变S = FFlx 应变表达形式应变表达形式应变张量应变张量为了方便记忆与描述：角标Sxx SyySzzSyz =SzySxz = SzxSxy=Syx 双脚标S11 S22 S33 S23S31S12单角标S1S2

22、S3S4S5S66个独立分量个独立分量12xx1112133212223431323356=xyxzyxyyyzzxzyzzSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSS应变张量应变张量矩阵表达形式矩阵表达形式应力应变曲线应力应变曲线So屈服点应变硬化破坏弹性形变胡克定律胡克定律: 在弹性限度内, S, 即 / S = E ，E 为杨氏模量 或弹性模量，是常量, 与材料有关。同理，在弹性限度内, / = G 为剪切模量或刚性模量塑性形变4.5 胡克定律胡克定律(1) -弹性柔顺常数6543216656463626165655453525154645443424143635343323132

23、62524232212161514131211654321TTTTTTssssssssssssssssssssssssssssssssssssSSSSSS弹性柔顺常数是一个四级张量，共有36个，独立的弹性刚度常数共21个。Ti：应力Sj：应变sij：弹性柔顺常数弹性柔顺常数的物理意义 :s s1111=(=( S S1 1/ / T T1 1) )TkTk ：沿x方向的伸缩应力T1的改变引起x方向伸缩应变S1的改变与伸缩应力T1的改变的比。 伸缩应力与伸缩应变有关的弹性柔顺常数。s s4444=(=( S S4 4/ / T T4 4) )TkTk ：x面上的切应力T4的改变引起x面上切应变S

24、4的改变与切应力T4的改变之比。切应力与切应变有关的弹性柔顺常数。4.6 胡克定律胡克定律(2)-弹性刚度常数弹性刚度常数654321665646362616565545352515464544342414363534332313262524232212161514131211654321SSSSSSccccccccccccccccccccccccccccccccccccTTTTTT弹性刚度常数是一个四级张量，共有36个，独立的弹性刚度常数共21个。Ti：应力Sj：应变cij：弹性刚度常数实验上常采用杨氏模量Y，泊松比及切变模量G来代替弹性柔顺常数s11、s12、s44。它们之间的关系为： 1

25、1s1Y 1211ss )1 (2Y)ss (21s1G121144Yangs modulus:Poission ratio:Shear modulus:五、五、 压电效应及应用压电效应及应用正压电效应正压电效应：某些电介质受到外力作用而发生形变，在它某些电介质受到外力作用而发生形变，在它的的某些表面某些表面出现与外力成出现与外力成线性比例线性比例的电荷积累。当外力去掉后，的电荷积累。当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。又重新恢复不带电状态的现象。逆压电效应逆压电效应：当电介质受到电场当电介质受到电场E作用时，电介质在作用时，电介质在某一某一方向方向上产生与电场强度上产生与电场强度E成成

26、线性关系线性关系的机械形变，当外加电场的机械形变，当外加电场撤去时，这些变形也随之消失的现象。撤去时，这些变形也随之消失的现象。 5.1 压电效应压电效应5.2 压电换能器压电换能器原理：原理： 利用压电材料的正逆压电效应将机械能和 电能进行相互转换。优点：优点： 转换效率高，接收灵敏度高，洁净无污染。应用：应用：超声清洗，能量回收 日本：地铁发电地板，每天回收1400千瓦时电能。英国： 舞池压电地板，回收60%的电能。以色列：发电马路，每公里每小时产生400千瓦时电能。5.3 压电驱动器压电驱动器-超声电机超声电机应用原理：应用原理： 利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动来获得其运动和力矩。性

27、能特点性能特点 重量轻、体积小、定位精确（纳米级别 ）、响应速度快、无噪音、稳定性好、不受磁场干扰。应用领域应用领域 光学仪器、汽车、航空航天、工业控制、医疗器械、民用产品等5.4 超声成像超声成像压电材料压电材料超声成像超声成像:利用超声波进入人体或材料后，在不同组织分界处形成的反射回波，而进行成像处理的技术。超声换能器超声换能器: 既是超声波发射器又是回波接收器，它是超声成像系统中最为关键的声学部件，是获得高质量图像的保证。优点：优点：灵敏度高，成像清晰。应用：应用： 医学病情诊断，工业无损探伤1. 压电变压器压电变压器2. 压电传感器压电传感器3. 超声雾化器超声雾化器其他压电器件其他压

28、电器件FxXY+Fx+-P1P2P3FX+ + + X5.5 压电效应产生机理压电效应产生机理(1)：非铁电性压电晶体非铁电性压电晶体SiO2Y+- - - -XP1P2P3压力压力正压电效应正压电效应定性分析定性分析(P1+P2+P3)X0 有压电性(P1+P2+P3)Y=0 无压电性(P1+P2+P3)Z=0 无压电性各向异性各向异性X方向受力时：方向受力时：5.6 压电效应产生机理压电效应产生机理(2)：铁电性压电晶体铁电性压电晶体BaTiO3束缚电荷在电极面上吸附了一层大小相等符号相反的外界自束缚电荷在电极面上吸附了一层大小相等符号相反的外界自由电荷，以屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界

29、的作用。由电荷，以屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。1. 极化前，极化前，P=02. 极化后，极化后， P0E铁电畴铁电畴P- - - - - - - - - - -+ + + + + + +- - - - - - - - - - -+ + + + + + +自由电荷自由电荷束缚电荷束缚电荷自由电荷自由电荷束缚电荷束缚电荷- - - - - - - - - - -+ + + + + +- - - - - - - - - - - -+ + + + + + +FF3. 压应力，压应力， P05.7 压电效应与对称中心压电效应与对称中心晶体的任何形变也不能改变这个中心对称性质。所以,具有对称中

30、心的晶体是非压电晶体。七大晶系32类点群中有21类不存在对称中心，其中的20类无中心对称的晶体已发现具有压电效应。 FFFFFFZxy5.8 对称面对称面 设x面为对称面，则当晶体的坐标由x-x、yy、zz时，晶体的性质应保持不变。1. 垂直于对称面的方向上电偶极矩的和等于零。2. 在平行于对称面方向上可以存在不等于零的电偶极矩。5.9 四次轴 设z轴为4次轴，根据四次轴的对称性要求，晶体经过90、 180、 270转动后，晶体的性质保持不变。zyxOP-P-PP 在垂直于z轴的x、y方向的电偶极矩等于零。 在平行于z轴方向上，可以存在不等于零的电偶极矩。 5.10 压电常数压电常数(1)11

31、1 1Pd T(4)1144Pd T(3)113 3Pd T(5)115 5Pd T(6)1166Pd T(2)1122Pd Txz zT3(P1)T2T1T4T6T5(P P3 )(P P2)(3)(3)(2)(2)Pi j = d i j Tj i =1、2、3 j =1、2、3、4、5、6y y(1)(1)vi(i=1,2,3):表示晶体的极化方向，即在表示晶体的极化方向，即在i i面上产生电荷面上产生电荷。1、2、3分别表示垂直于分别表示垂直于x、y、z轴的晶片表面轴的晶片表面vj(j=1,2,3,4,5,6):1，2，3表示沿表示沿x,y,z方向作用的单向方向作用的单向应力；应力；4

32、，5，6表示在表示在yz, zx, xy平面上承受的剪切应力平面上承受的剪切应力压电常数模型压电常数模型d33 纵向压电常数d31 横向压电常数压电常数矩阵压电常数矩阵121111213141516322122232425264331323334353656ETTDddddddTDddddddTDddddddTT61,1,2,3iijjEjDd Tidij为压电常数，足标中第一个数字为压电常数，足标中第一个数字i指电场方向或电指电场方向或电极面的垂直方向，第二个数字极面的垂直方向，第二个数字j指应力或应变方向；指应力或应变方向；Tj为应力；为应力；Di为电位移。为电位移。5.11 机电耦合系数

33、机电耦合系数K机电耦合系机电耦合系数数K：在压电效应中，转换输出的能量(如电能)与输入的能量(如机械能)之比的平方根。它是从能量角度衡量压电材料机电耦合能量转换效率的重要参数。转换时输入的总电能得的机械能通过逆压电效应转换所2K转换时输入的总机械能得的电能通过正压电效应转换所2K或或fs 谐振频率谐振频率fp 反谐振频率反谐振频率5.12 机械品质因数机械品质因数Qm 压电陶瓷在振动时，为了克服内摩擦需要消耗能量。压电陶瓷在振动时，为了克服内摩擦需要消耗能量。机械品质因数机械品质因数Qm是反映能量消耗大小的一个参数。是反映能量消耗大小的一个参数。Qm越大，能量消耗越小。机械品质因数越大，能量消

34、耗越小。机械品质因数Qm的定义式是：的定义式是：222012=2()()pmspsfQf R CCff谐振时振子储存的机械能每一谐振周期振子所消耗的机械能fs为压电振子的谐振频率为压电振子的谐振频率, fp为压电振子的反谐振频率为压电振子的反谐振频率C0为压电振子的静电容为压电振子的静电容, C1为压电振子的谐振电容为压电振子的谐振电容R为谐振频率时的最小阻抗为谐振频率时的最小阻抗Zmin（谐振电阻）（谐振电阻）1 1、弹性常数、弹性常数 sij 压电材料的弹性常数和刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。sij， cij2 2、介电常数、介电常数 ij 对于一定形状、尺寸的压电器件，其固有电

35、容与介电常数有关，而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。 33、 313 3、绝缘电阻、绝缘电阻 R 压电材料的绝缘电阻可减少电荷泄露，改善传感器低频特性。4 4、居里点、居里点 Tc 压电材料开始丧失压电特性的温度。5.13 其他重要的概念其他重要的概念六、热释电性质热释电效应热释电效应热释电效应：热释电效应：极化强度随温度改变而表现出的电荷释放现象，宏观上是温度的改变使材料的两端出现电压或产生电流。热释电效应形成原理热释电效应形成原理悬浮电荷悬浮电荷热平衡条件下热平衡条件下热能热能温度变化造成极化温度变化造成极化T+T(K)温度变化温度变化热释电效应产生机理热释电效应产生机理1. 极化强

36、度的排列使靠近极化矢量两端的表面附近出现束缚电荷。在热平衡状态下，这些束缚电荷被等量反号的自由电荷所屏蔽，所以对外不显示电性。2. 当温度改变时，极化强度发生变化，原先的自由电荷不能再完全屏蔽束缚电荷，于是表面出现自由电荷，他们在附近空间形成电场，对带电微粒有吸引或者排斥作用。通过与外电路连接，则可在电路中观测到电流。升温和降温两种情况下电流的方向相反红外传感器的工作原理红外传感器的工作原理任何发热体都会产生任何发热体都会产生红外线红外线 。辐射的红外线波长跟物体辐射的红外线波长跟物体温度温度有关。表面温度越高有关。表面温度越高 ,辐射能量辐射能量越强。越强。最大波长和温度的关系满足最大波长和

37、温度的关系满足维恩位移定律维恩位移定律：m*T=2989 (mk)人体的正常体温为人体的正常体温为3637.5 C ， 其辐射的最强的红外线的波长其辐射的最强的红外线的波长为为 9.679.64m，中心波长为，中心波长为 9.65m。热释电材料的应用热释电材料的应用-红外测温仪红外测温仪仪器探温仪器探温人体探温人体探温工工业业高高温温探探测测红外测温仪红外测温仪红外测温仪的优点红外测温仪的优点非接触红外测温仪非接触红外测温仪接触类测温仪接触类测温仪1.非接触测温对物体无影响1接触测温对被测物温度场有影响2.检测物体表面温度2不适合测瞬态温度3.反应速度快,可测运动中的物体和瞬态温度3不便于测运

38、动中的物体4.测量范围宽4测量范围不够宽，且耗材5.测量精度高,分辨率小5不适合测量有毒、高压等危险场合6.可对小面积测温7.可同时对点, 线, 面测温8.可测绝对温度,也可测相对温度热释电材料的应用热释电材料的应用-夜夜 视视 因为人体、各种动物以及发动机等都是热源，都会辐射产生红外线，这时你坐在夜视仪前，就会通过屏幕清楚地观测到远处的物体，甚至可以分辨人、动物及汽车、坦克的形状。如果给战士们配置了这种黑夜“千里眼”，并装备上激光测距仪，他们就会百发百中，弹无虚发。 夜视技术现在已经成了部队现代化装备的重要技术之一。在伸手不见五指的黑夜，埋伏在丛林中的敌人、远处的汽车、坦克等，以前是很难被发

39、现的。现在有了红外夜视仪，情况就不同了。热释电材料的应用热释电材料的应用-医学及工业医学及工业诊断诊断医学诊断医学诊断因为人体发炎的部位会辐射出更多的红外线，利用红外热像仪可以帮助医生确定病灶的位置及形状。在医院中帮助医生诊断疾病。工业诊断工业诊断飞驰的火车如果某一个车轮发生故障，也会产生高温。用热释电晶体制作的红外遥感测温仪可以在火车行驶过程中，迅速而准确地判断出第几个轮子出了问题，并及时通知下一站的工作人员及时检修。热释电材料的应用热释电材料的应用-电气检测红色箭头所指相温升较高，说明该相接头处有严重问题。http:/ 如果能够用一种物理方法来改变光波的这些振幅、频率、相位、强度等参量之一

40、，使其按照调制信号的规律变化，就称激光束就受到了信号的调制，即达到“运载”信息的目的。 光束调制按其调制的性质可分为调幅、调频、调相及强度调制等。电光效应电光效应 某些晶体在外加电场的作用下，其折射率将发生变化，当光波通过此介质时，其传输特性(振幅、相位、频率)就受到影响而改变，这种现象称为电光效应。 电光效应包括1. 泡克耳斯(Pockels)效应：介质折射率改变量与外加电场的一次方成正比。（线性电光效应线性电光效应）2. 克尔(Kerr)效应：介质折射率改变量与外加电场的二次方成正比。（二次二次电光效应电光效应）+-MM0I20IN电光晶体电光效应应用电光效应应用利用电光效应可以实现对光波

41、的振幅和相位进行调制。可以制作电光调制器、电光开关、电光光偏转器等光电子器件。可用于光闸、激光器的Q开关、光波调制，在高速摄影、光速测量、光通信和激光测距等激光技术领域有重要应用。+电光调制原理1 1rrvc 光在透明介质中的传播速度v小于真空中的速度c, 而c与v之比定义为该透明介质的折射率，即1 2cnv光波是电磁波，则可以从上两式比较可得1 3rrn 此式把光学和电磁学两个不同领域联系起来了。使折射率成为只与介质本身常量有关的物理量。r 相对介电常r 相对磁导率从光的电磁理论可知，介质折射率完全决定于它的光频介电常数。在通常情况下，电场较小，介电方程用下述线性关系描述:,1,2,3iij

42、jDEi j 此时介电常数ij=Di/Ej是一个与电场无关的常数，因而折射率:0/ijijijnK与电场无关。晶体的介电常数mn为二阶张量，呈现各向异性，所以折射率nnm也各向异性，即光学各向异性。电光调制原理但是当对电介质施加一个足够强的外电场，以致于强到足以和原子的内电场（3108 V/cm）相比拟时，则在这种情况下，原子的内电场就会受到强烈的影响，原子的形状和能级结构等等就会发生一系列畸变；D和E之间呈现出非线性关系。可以展成下列幂级数形式: 02302DEEED2 E3 EE高电场下，介电常数及折射率都是电场的函数。1 3rrn 电光调制原理光轴：光轴：z轴与天然石英晶体的上、下顶轴与

43、天然石英晶体的上、下顶角连线重合角连线重合(即与晶体的即与晶体的C轴重合轴重合)。光。光线沿线沿z轴通过石英晶体时不产生双折射，轴通过石英晶体时不产生双折射，故称故称z轴为石英晶体的光轴。轴为石英晶体的光轴。电轴：电轴：x轴与石英晶体横截面上的对角轴与石英晶体横截面上的对角线重合线重合(即与晶体的即与晶体的a轴重合轴重合)，沿，沿x方向方向对晶体施加压力时，产生的压电效应最对晶体施加压力时，产生的压电效应最显著，故常称显著，故常称x轴为石英晶体的电轴。轴为石英晶体的电轴。机械轴：机械轴：沿沿x轴或者轴或者y轴施加应力，在轴施加应力，在y轴不产生压电效应，只产生形变。轴不产生压电效应，只产生形变

44、。Y轴轴称为机械轴。称为机械轴。石英晶体的光轴，电轴，机械轴石英晶体的光轴，电轴，机械轴光轴光轴电轴电轴机械轴机械轴Y+- - - -XP1P2P3 外加交变电场可以使压电材料产生机械振动，但在一般情况下振幅都非常小，当外加交变电压的频率为某一特定频率时，振幅才会突然增大，这种现象称为压电谐振压电谐振。上述特定频率称为晶体的固有频率或谐振频率固有频率或谐振频率。压电谐振及其产生条件压电谐振及其产生条件产生原因产生原因1、压电效应：在晶片的两面之间加电场，就会产生机械变形。当在晶片的两电极之间加交变电压时，晶片就会产生机械变形振动。2、固有频率：材料有固有频率，与其刚度系数（柔顺系数）、尺寸有关

45、。3、外在驱动信号频率与材料固有频率一致时发生谐振。电路符号石英晶体振荡器的等效电路。石英晶体振荡器的等效电路。等效电路结构模型C0 -晶体不振动时的等效静电电容。晶体不振动时的等效静电电容。L -晶体振动时的等效质量惯性，等效为电感。晶体振动时的等效质量惯性，等效为电感。C -晶片的振动弹性，等效为电容。晶片的振动弹性，等效为电容。R -晶片振动时因摩擦而造成的损耗，等效于电阻晶片振动时因摩擦而造成的损耗，等效于电阻。RC0画出石英晶体谐振器的等效电路和X-谐振曲线。写出其串联支路谐振频率s和并联回路谐振频率p表达式，并在图中注明s和p的位置。 s s是串联支路是串联支路的谐振频率。的谐振频

46、率。 p p并联回路并联回路的谐振频率的谐振频率 X XC01+ XL+XC111= j C0- - j 1 L - - C1 p C、L和和 R串联后再与串联后再与 C0并并联，得出总阻抗联，得出总阻抗Z。通常。通常RXL，所以所以R可忽略。可忽略。Z可用总电抗可用总电抗X替代。替代。X=0X= 1. 钙钛矿结构2. 钨青铜型结构3. 铌酸锂型结构4. 含铋层状钙钛矿结构 常见压电陶瓷的晶体结构：常见压电陶瓷的晶体结构：ABO3钙钛矿结构钙钛矿结构ABO3：A：1,2,3 Na，Pb2+，Ba2+，La3+B：5,4,3 Nb5+,Ti4+，Fe3+u化学通式是ABO3，A为半径较大的低价正

47、离子，B为半径较小的高价正离子。uB位原子处于氧八面体中心，A位原子处于氧八面体间隙。AOBABOPbZrO3-PbTiO3相图相图及准同型相界及准同型相界1 1、随、随ZrZr：Ti Ti 变化，变化，居里点居里点几乎线几乎线性地从性地从235235变到变到490 490 ，T Tc c线以上线以上为立方顺电相，无压电效应。为立方顺电相，无压电效应。2 2、ZrZr：Ti=53Ti=53：4747附近有附近有一准同型一准同型相界相界线，富钛侧为四方铁电相线，富钛侧为四方铁电相F FT T；富锆一侧为高温三方铁电相富锆一侧为高温三方铁电相F FR R，温，温度升高，这一相界线向富锆侧倾斜，度升

48、高，这一相界线向富锆侧倾斜，并与并与T Tc c线交于线交于360360（表明相界附（表明相界附近居里温度近居里温度T Tc c高），在相界附近，高），在相界附近，晶胞参数发生突变。晶胞参数发生突变。立方顺电相四方铁电相高温三方铁电相A03 3、在四方铁电相、在四方铁电相F FT T与三方铁电相与三方铁电相F FR R的相界附近具有很强的压电效应，的相界附近具有很强的压电效应，K Kp p, , 出现极大值，出现极大值，Q Qm m出现极小值。出现极小值。准同型相界：四方铁电相与三方铁电相的交界，并不是一个明确的成分分界线，而是具有一定的成分范围，在此区域内，PZT陶瓷体内三方相和四方相共存。

49、温度温度 oC 在四方铁电相在四方铁电相Ft与三方铁电相与三方铁电相FR共存的准同型相界附共存的准同型相界附近具有很强的压电效应。近具有很强的压电效应。Kp, 出现极大值，出现极大值，Qm出现极小出现极小值。值。 原因：原因：相界线不是明确的成分分界线，而是具有一定相界线不是明确的成分分界线，而是具有一定宽度、成分比范围的相重叠区域，在相界线附近，晶粒中宽度、成分比范围的相重叠区域，在相界线附近，晶粒中可同时存在四方铁电相和三方铁电相。可同时存在四方铁电相和三方铁电相。 在此区域内，在此区域内，Ft和和FR(高温高温)自由能相近，相转变激活能低，自由能相近，相转变激活能低，在弱电场诱导下就能发

50、生结构相变，在弱电场诱导下就能发生结构相变，使不同取向的晶粒的使不同取向的晶粒的自发极化轴尽可能统一到电场方向，因而自发极化轴尽可能统一到电场方向，因而，KP 。由于。由于电畴定向充分，内摩擦增大，故电畴定向充分，内摩擦增大，故Qm 。因此，为了获得。因此，为了获得KP , 的材料，组成宜选在的材料，组成宜选在Zr：Ti=53：47附近，为了获附近，为了获得得Qm 伴随伴随KP 的材料，则应选在远离的材料，则应选在远离53：47处。处。准同型相界的优异性能及产生机理准同型相界的优异性能及产生机理PZT瓷的掺杂改性瓷的掺杂改性: 为了满足不同的使用目的，需要具有各种为了满足不同的使用目的，需要具

51、有各种性能的性能的PZT压电陶瓷，为此可以添加不同的离压电陶瓷，为此可以添加不同的离子来取代子来取代A位的位的Pb2+离子或离子或B位的位的Zr4+，Ti4+离离子，从而改进材料的性能。子，从而改进材料的性能。其其它它取取代代改改性性硬硬性性取取代代改改性性软软性性取取代代改改性性异异价价取取代代等等价价取取代代的的改改性性分分为为：PZTPZT瓷的掺杂改性瓷的掺杂改性上述离子取代上述离子取代Pb2+后，晶体结构仍为钙钛矿型，但出后，晶体结构仍为钙钛矿型，但出现了晶格畸变，晶格自由能增加，电畴转向激活能减小，现了晶格畸变，晶格自由能增加，电畴转向激活能减小，在人工预极化处理时，有利于在人工预极

52、化处理时，有利于90o畴转向与保留，故畴转向与保留，故，KP , d 。等价取代是指用等价取代是指用Ca2+、Sr2+、Mg2+ 等二价离子取等二价离子取代代Pb2+，结果使，结果使PZT瓷的瓷的，KP ，d，从而提高，从而提高PZT瓷的压电性能。瓷的压电性能。 等价等价A位取代位取代所谓所谓“软软”是指加入这些添加物后能使矫顽场强是指加入这些添加物后能使矫顽场强EC ，因而在电场或应力作用下，材料性质变因而在电场或应力作用下，材料性质变“软软”。1) La3+, Bi3+, Sb3+ 等取代等取代A位位Pb2+离子（施主掺杂）；离子（施主掺杂）；2) Nb5+, Ta5+, Sb5+, W6

53、+等取代等取代B位的位的Zr4+、Ti4+离子离子(施主掺杂施主掺杂)。经取代改性后的经取代改性后的PZT瓷性能有如下变化：瓷性能有如下变化： 矫顽场强矫顽场强E EC C 减小减小，机械品质因数，机械品质因数Q Qm m减小减小；介电常；介电常数数增加增加，介电损耗，介电损耗tantan增加增加, ,机电耦合系数机电耦合系数K KP P增加增加, , 抗老化性增加，绝缘电阻率抗老化性增加，绝缘电阻率增加增加 。软性取代改性软性取代改性所谓所谓“硬性取代改性硬性取代改性”是指加入这些添加物后能使矫是指加入这些添加物后能使矫顽场强顽场强EC 增加增加，极化变难，因而在电场或应力作用下，极化变难，

54、因而在电场或应力作用下，材料性质变材料性质变“硬硬”。 硬性取代使得材料的机械品质因数硬性取代使得材料的机械品质因数Qm增加，介电常数增加，介电常数减小减小，介电损耗，介电损耗tan减小减小, 机电耦机电耦合系数合系数KP减小减小, 抗老化性降低，绝缘电阻率抗老化性降低，绝缘电阻率减小减小。a） K+，Na+等取代等取代A位位Pb+2离子（受主掺杂）；离子（受主掺杂）；b） Fe2+、Co2+、Mn2+(或或Fe3+、Co3+、Mn3+)、Ni2+、Mg2+、Al3+、Cr3+等取代等取代B位的位的Zr4+、Ti4+离子（受主掺杂）。离子（受主掺杂）。 硬性取代改性硬性取代改性常见的无铅压电材

55、料常见的无铅压电材料（1） BaTiO3基无铅压电陶瓷基无铅压电陶瓷（2）Na1-XKXNbO3基无铅压电陶瓷基无铅压电陶瓷（3） Bi1-xNaxTiO3基无铅压电陶瓷基无铅压电陶瓷（4）铋层状结构压电陶瓷）铋层状结构压电陶瓷(Bi4Ti3O12)（5）钨青铜结构无铅压电陶瓷）钨青铜结构无铅压电陶瓷(SrxBa1-x)Nb2O6)压电高分子材料聚偏氟乙烯，简称PVDF，分子式为(CH2-CF2)n，PVDF的存在哪几种晶型，哪一种晶型具有压电性？PVDF存在四种晶相：，晶型是PVDF最普通的结晶形式，为单斜晶系，构型为TGTG在同一单胞内偶极子反向排布，偶极矩相互抵消，因此分子为非极性。晶型

56、是PVDF的重要结晶形式，为正交晶系，构型为全反式TTT单胞内偶极子排布方向一致，因而具有强极性，相具有最强的压电性。相相压电陶瓷和压电聚合物各有具有哪些优缺点？压电陶瓷材料如锆钛酸铅( PZT) , 具有压电性能高，机电耦合系数大，局里温度高等特点, 但它介电常数高, 声阻抗大且耐冲击性能较差, 使其应用受到制约,而且含铅具有毒性。 压电聚合物, 如聚偏二氟乙烯( PVDF) , 具有柔顺性好,声阻抗小,密度低，稳定性强，无毒等特性，但其压电系数和机电耦合系数较小, 温度特性和老化特性存在问题。PVDF的声阻抗与空气、 水和生物组织很接近， 所在许多技术领域都有适用性。特别是用它制作与液体、

57、 生物体及气体的换能器， 可获得比用其它压电材料制作换能器更好的阻抗匹配。必须由必须由两种及两种及以上化学、物以上化学、物理性质不同的理性质不同的材料组合而成材料组合而成必须是必须是人造人造的的，是人们根据，是人们根据需要设计制造需要设计制造的材料的材料通过各组分性通过各组分性能的互补可获能的互补可获得单一材料不得单一材料不能达到的能达到的综合综合性能性能复合材料123 由由两种以上两种以上不同的原材料组成，使原材料的性能得不同的原材料组成，使原材料的性能得到充分发挥，并通过到充分发挥，并通过复合化复合化而得到单一材料所不具备的而得到单一材料所不具备的性能的材料。性能的材料。压电陶瓷材料如锆钛

58、酸铅( PZT) , 具有压电性能高和机电耦合系数大等特点, 但它介电常数高, 声阻抗大且耐冲击性能较差, 使其应用受到制约, 而某些高分子材料, 如聚偏二氟乙烯( PVDF) , 其柔顺性好,声阻抗小, 但其压电系数和机电耦合系数较小, 温度特性和老化特性存在问题, 将压电陶瓷材料与聚合物材料按一定的连通方式复合后, 则可制成既具有一定压电性, 又具有柔软性的压电复合材料,压电复合材料 压电陶瓷的制备工艺压电陶瓷的制备工艺1. 粉体制备粉体制备2. 坯体成型坯体成型3. 陶瓷烧结陶瓷烧结纳米粉体合成方法纳米粉体合成方法纳米材料纳米材料制备途径制备途径从小到大从小到大: 原子原子团簇团簇纳米颗

59、粒纳米颗粒从大到小从大到小: 固体固体微米颗粒微米颗粒纳米颗粒纳米颗粒通常可通过两大的途径得到纳米材料：通常可通过两大的途径得到纳米材料：纳纳米米粒粒子子合合成成方方法法分分类类纳纳米米粒粒子子制制备备方方法法物理法物理法化学法化学法粉碎法粉碎法构筑法构筑法沉淀法沉淀法水热法水热法溶胶凝胶法溶胶凝胶法冷冻干燥法冷冻干燥法喷雾法喷雾法干式粉碎干式粉碎湿式粉碎湿式粉碎气体冷凝法气体冷凝法溅射法溅射法氢电弧等离子体法氢电弧等离子体法共沉淀法共沉淀法均相沉淀法均相沉淀法水解沉淀法水解沉淀法气相反应法气相反应法液相反应法液相反应法气相分解法气相分解法气相合成法气相合成法气固反应法气固反应法其它方法其它方

60、法(如球磨法如球磨法)陶瓷的成型制备技术陶瓷的成型制备技术根据制成的形状和要求特性，主要采用下列5种粉体成形方法：（1）模压成形；（干压成型）（2）等静压成形；（3）挤压成形；（4）注浆成形；（5）热压铸成型；陶瓷的烧结陶瓷的烧结宏观 定义：粉体原料经过成型、加热到低于熔点的温度，发生固结、气孔率下降、收缩加大、致密度提高、晶粒增大，成为坚硬的烧结体，这个过程称为烧结。微观定义：固体中分子（原子）间存在相互吸引，通过加热使质点获得足够的能量进行迁移，使粉末体产生颗粒粘结，产生强度并导致致密化和再结晶的过程，称为烧结。常规烧结常规烧结(是否出现液相) 烧结方法烧结方法分类分类固相烧结：液相烧结：