铁电与反铁电的比较

1、1.铁电体和反铁电体的基本性质2.铁电体的研究进展3.反铁电体的研究进展4.反铁电陶瓷 铁电体：某些晶体在一定的温度范围内具有自发极化，而且其自发极化方向可以因外电场方向的反向而反向，晶体的这种性质称为铁电性铁电性，具有铁电性的晶体称为铁电体铁电体 反铁电体：反铁电体：在一定温度范围内相邻离子联线上的偶极子呈反平行排列，宏观上自发极化强度为零，无电滞回线的材料，称为反铁电体。铁电材料概括起来可以分为两大类： a.一类以磷酸二氢钾 KH2PO4 -简称KDP-为代表，具有氢键，他们从顺电相过渡到铁电像是无序到有序的相变；b.另一类则以钛酸钡为代表，从顺电相到铁电相的过渡是由于其中两个子晶格发生相

2、对位移。1.NH4H2PO4型（包括NH4H2AsO4及氘代盐等 ）；2.（NH4）2SO4型（包括NH4HSO4 及NH4LiSO4等 ）；3.（NH4）2H3IO6型（包括Ag2H3IO6 等）；4.钙钛矿型（包括NaNbO3、PbZrO3、PbHfO3、Pb（Mg12W12）O3等）；5.RbNO3等。在相变温度时，介电常数出现反常值；在相变温度以上，介电常数与温度的关系遵从居里外斯定律。反铁电体的结构和铁电体相似，但相邻的子晶体却是沿反平行方向产生自发极化的。由于反铁电体在反铁电相时不存在净电矩，所以不存在像铁电体那样的电滞回线。铁电体中由于出现畴结构，一般地宏观极化强度p0。当外电场

3、E 很小时p与E有线性关系。当E足够大以后，出现p 滞后于E而变化的关系曲线称为电滞回线。经过固定振幅的强交变电场多次反复极化之后，电滞回线有大致稳定的形状,参见图。其中的箭头标明回线循环的方向。当 E很大时极化趋向饱和，从这部分外推至纵轴的截距p称为饱和极化强度。E由幅值减小时p 略有降低，当E0时，铁电体具有剩余极化强度pr；当电场反向至E=-Ec时，剩余极化迅速消失，反向电场继续增大时极化反向形成大致对称的回线；Ec称为矫顽场。电滞回线是判断铁电性的重要标志。A.极化强度P和电场强度E有复杂的非线性关系，r不是常量，它随E变，最大可达几千；B.有电滞现象，在周期性变化的电场作用下，出现电

4、滞回线，有剩余极化强度；C.当温度超过某一温度时，铁电性消失，这一温度叫做居里（Pierre Curie）温度；D.铁电体内存在自发极化小区，把这种小区叫做电畴。 正是因为存在电畴，铁电体才具有以上这些独特的性质。反铁电体在转变温度以下，邻近的晶胞彼此沿反平行方向自发极化。反铁电体一般宏观无剩余极化强度，但在很强的外电场作用下，可以诱导成铁电相，其P-E呈双电滞回线。其在E较小时，无电滞回线，当E很大时，出现了双电滞回线。 在顺电-铁电相变中，各晶胞中出现了电偶极矩，铁电相晶胞与顺电相晶胞比较，只是发生了微小的畸变。在顺电-反铁电相变中，顺电相的相邻晶胞出现了方向相反的偶极矩，显然这样的“晶胞

5、”已不能作为反铁电相的结构重复单元。反铁电相晶胞的体积因而是顺电相晶胞的倍数。晶胞体积倍增是反铁电相变的特征之一。反铁电相变可认为是顺电相相邻晶胞出现反向极化的结果，于是反铁电相点群可由顺电相点群与反向极化的叠加而得出。铁电体铁电性压电性介电性铁电性：在一些电介质晶体中，晶胞的结构使正负电荷重心不重合而出现电偶极矩，产生不等于零的电极化强度，使晶体具有自发极化，晶体的这种性质叫铁电性。介电性：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的性质。压电性：某些介质的单晶体，当受到定向压力或张力的作用时，能使晶体垂直于应力

6、的两侧表面上分别带有等量的相反电荷的性质。铁电体光电效应声电效应热释电效应光折变效应光电效应：物质由于吸收光子而产生电的现象。声电效应：通过在半导体中传播的声波的作用而产生电动势的一种现象。热释电效应：由于温度的变化引起极化状态改变的现象。光折变效应：在光场的作用下使材料中的折射率发生了可逆的变化的现象。1.铁电性: 铁电场效应晶体管FFET2.介电性:大容量电容可调谐微波器件3.压电性:压电传感器换能器马达4.电光效应:光开关光波导光显示器件5.声光效应:声光偏转器6.光折变效应:光调制器件光信息存储器件7.热释电效应:非致冷红外焦平面阵列 现代能带结构方法和高速计算机的反展使得对铁电性起因

7、的研究变为可能。通过第一性原理的计算，对BaTiO3、PbTiO3、KNbO3和LiTaO3等铁电体，得出了电子密度分布，软模位移和自发极化等重要结果，对阐明铁电性的微观机制有重要作用。 随着铁电薄膜和铁电超微粉的发展，铁电尺寸效应成为一个迫切需要研究的实际问题。近年来，人们从理论上预言了自发极化、相变温度和介电极化率等随尺寸变化的规律，并计算了典型铁电体的铁电临界尺寸。这些结果不但对集成铁电器件和精细复合材料的设计有指导作用，而且是铁电理论在有限尺寸条件下的发展。 1.1975年MEYER发现，由手性分子组成的倾斜的层状c相液晶具有铁电性。在性能方面，铁电液晶在电光显示和非线性光学方面很有吸

8、引力。电光显示基于极化反转，其响应速 度比普通丝状液晶快几个数量级。非线性光学方面，其二次谐波发生效率已不低于常用的无机非线性光学晶体。 2.聚合物的铁电性在70年代末期得到确证。虽然PVDF的热电性和压电性早已被发现，但直到70年代末才得到论证，并且人们发现了一些新的铁电聚合物。聚合物组分繁多，结构多样化，预期从中可发掘出更多的铁电体，从而扩展铁电体物理学的研究领域，并开发新的应用。 1.铁电薄膜与半导体的集成称为集成铁电体，近年来广泛开展了此类材料的研究。铁电存贮器的基本形式是铁电随机存取存贮器。早期以为主要研究对象，直至年实现了的商业化。与五六十年代相比，当前的材料和技术解决了几个重要问

9、题。一是采用薄膜，极化反转电压易于降低，可以和标准的硅或电路集成；二是在提高电滞回线矩形度的同时，在电路设计上采取措施，防止误写误读；三是疲劳特性大有改善，已制出反转次数达5*1012次仍不显示任何疲劳的铁电薄膜。 2.在存贮器上的重大应用己逐渐在铁电薄膜上实现。与此同时，铁电薄膜的应用也不局限于铁电随机存贮器，还有铁电场效应晶体管、铁电动态随机存取存贮器等。除存贮器外，集成铁电体还可用于红外探测与成像器件，超声与声表面波器件以及光电子器件等。贮能应用 利用反铁电-铁电相变时的D-E的非线性关系（双电滞回线），做贮能电容器和电压调节元件。换能应用 利用反铁电-铁电相变的体积效应，做换能器。 利

10、用反铁电材料的极化强度-电场的双电滞回线特性，可以制作一种新型的电压调节器件。把这种器件与电路中的负载并联，可以使负载两端电压稳定在一个相当狭窄的范围之内。这种器件适于在高压下使用，尺寸小，重量轻，不需附加别的装置，能用于交流、直流和脉冲功率源。 传统的压电体的能量转换是线性的，而且是可逆的。但是，由于介电损耗及机械损耗的原因，它只能在低负荷循环下工作，而可转换 的能量密度约为0.05焦耳/厘米3。利用电场强迫反铁电相变，转变为铁电体，使它放出机械能；或者施加压应力强迫铁电体转变为反铁电体，使放出电能。这种方法产生的机电能量转换的能量密度可超过1焦耳/厘米3。强迫相转变换能实际是使铁电陶瓷内部大量的电畴发生再取向，因而有更大的能量密度。但这时全部或大部分极化状态受到破坏，能量转换过程是非线性的。由于伴随着有电滞回线现象，因而重复率及负荷循环必须低。施加偏压可以使相转变成为可逆的。 从反铁电到铁电的相变可以由于温度变化、提高电场或改变压力形式而发生。材料在相变过程中会发生体积变化。从立方顺电相或反铁电相向铁电相转变，都伴随着体积的增加。这样，利用电场强迫反铁电到铁电的相变，就会因晶胞几何体积的变化把电能转换为机械能。 目前实际应用的反铁电材料主要是改性的PbZrO3陶瓷。对PbZrO3进行改性掺杂，会使它的反铁电-铁电相变点降低，甚至可以降到室温以下；或者一个极化电场，使它变