第6章压电、铁电材料

1、第六章 压电、铁电材料压电材料压电效应： 某些物质沿其一定的方向施加压力或拉力时，随着形变的产生，会在其某两个相对的表面产生符号相反的电荷，当外力去掉形变消失后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为“正压电效应”： 机械能转变为电能。 反之，在极化方向上（产生电荷的两个表面）施加电场，它又会产生机械形变，这种现象称为“逆压电效应”：电能转变为机械能。具有压电效应的物质称为压电材料。F FF F极极化化面面Q Q压电压电介介质质机机械械能能电电能能正正压电压电效效应应逆逆压电压电效效应应压电压电效效应应及及可逆性可逆性极化现象： 当电介质放入电场中时，电荷质点在电场作用下发生相对位移，正电荷沿电

2、场作用方向移动，负电荷向反方向移动，形成许多电偶极子，即发生极化。电介质，电场导致极化表面有电荷。压电材料，机械作用导致极化表面有电荷。根据几何结晶学，在32种点群中，只有20种无对称中心的晶体，这20个点群都有可能产生压电效应。如石英就是一种压电材料。压电材料石英压电效应机理u 表示晶体中的质点在某方向上的投影，此时晶体不受外力作用，正负电荷的重心重合，晶体表面的电荷亦为零。u 、(c)分别为受压缩力与拉伸力的情况，这两种受力情况所引起晶体表面带电的符号正好相反。压电陶瓷压电陶瓷是一类具有压电特性的电子陶瓷材料. 普通陶瓷是由许多小晶粒构成的多晶体，这些小晶粒通常是无规则地排列，使陶瓷为各向

3、同性材料，一般无压电效应。为了使陶瓷能表现出宏观的压电特性，就必须将压电陶瓷置于强直流电场下进行极化处理，以使原来混乱取向的各自发极化矢量沿电场方向择优取向.在电场取消之后，经过极化处理后的压电陶瓷具有压电效应。压电陶瓷压电陶瓷经极化处理后，与极化方向垂直的两端出现束缚电荷，由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面吸附一层来自外界的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。当对其施加一个与极化方向平行或垂直的外压力，压电陶瓷片将会产生形变，片内束缚电荷层的间距变小，而使表面的自由电荷过剩出现放电现象。当所受到的外力是拉力时，将会出现充电现象。钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷钛酸钡压电陶瓷极化示意图压电

4、陶瓷材料1880年法国人居里兄弟发现了“压电效应”。1942年，第一个压电陶瓷材料钛酸钡先后在美国、前苏联和日本制成。50年代初，又一种性能大大优于钛酸钡的压电陶瓷材料锆钛酸铅研制成功。从此，压电陶瓷的发展进入了新的阶段。如用多种元素改进的锆钛酸铅二元系压电陶瓷，以锆钛酸铅为基础的三元系、四元系压电陶瓷也都应运而生。这些材料性能优异，制造简单，成本低廉，应用广泛。钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷压电陶瓷多是ABO3型化合物或几种ABO3型化合物的固溶体。应用最广泛的压电陶瓷是钛酸钡系和锆钛酸铅系(PZT)陶瓷。钛酸钡(BaTiO3是一致性熔融化合物，其熔点为1618。14601618温度下BaT

5、iO3属于非铁电的六方晶系点群。此时，六方晶系是稳定的。此时，钛酸钡晶体正负电荷中心重合，所以不具备自发极化能力。钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷在1460120之间钛酸钡转变为立方钙钛矿型结构。在此结构中Ti4+(钛离子)居于O2-(氧离子)构成的氧八面体中央，Ba2+(钡离子)则处于八个氧八面体围成的空隙中。此时的钛酸钡晶体结构对称性极高，因此不具自发极化能力。钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷随着温度下降，Ti4+偏离氧八面体的中心，则晶体的正、负电荷中心不重合，晶体的对称性下降。当温度下降到120时，钛酸钡发生顺电-铁电相变。在室温下，BaTiO3是属四方晶系的铁电体。综上所述，在整个温区(

6、Tc时，铁电现象消失，处于顺电相。当TTc时，铁电体处于铁电相，当T=Tc时发生相变。铁电相是极化有序状态，顺电相则是极化无序状态。 Tc称为居里点。典型铁电材料典型铁电材料有：磷酸二氢钾(KH2PO4)、钛酸钡（BaTiO3）等。a、一类以磷酸二氢钾 KH2PO4 -简称KDP-为代表，具有氢键，在居里温度以上，质子沿氢键的分布是成对称沿展的形状。在低于居里温度时，质子的分布较集中且不对称于邻近的离子，质子会较靠近氢键的一端。b.另一类则以钛酸钡为代表，从顺电相到铁电像的过渡是由于其中两个子晶格发生相对位移。自发极化的出现是由于正离子的子晶格与负离子的子晶格发生相对位移。铁电材料的应用u 可作信息储存、图像显示u 像BaTiO3一类的钙钛矿型铁电体具有很高的介电常数可以做成小体积大容量的陶瓷电容器。u 铁电薄膜能用于不挥发存储器，还可利用其压电特性，用于制作压力传感器、声学共振器等。u MEMS的微传感器和微执行器。非挥发性铁电随机存储器非挥发性铁电随机存储器（NvFeRAM）产品将ROM的非易失性数据存储特性和RAM的无限次读写、高速读写以及低功耗等优势结合起来。即使在电源中断的情况下，存储的信息也不会丢失。铁电体不仅作为电容而且是存储器的一部分。u 低电压运作（1.0-5.0V），低功耗。u 小尺寸，仅为EEPROM单元的20%。