铁电陶瓷材料介绍及其应用课件

14三月2024铁电陶瓷材料介绍及其应用DevelopmentalHistoryofFerroelectrics1940sBirthofferroelectricceramics(BaTiO3)1950sPZTpiezoelectricceramicsdevelopedPTCeffectinBaTiO3ceramics1960sTransparentelectro-opticPLZTceramics1970sTheengineeredferroelectriccpmposites1980sPMNrelaxorceramicsFerroelectricfilmspreparedbysol-geltechniques1990sStrain-amplifiedactuators(Mooniedevices,RAINBOWactuators)TheintegratedferroelectricilmsonsiliconRelaxorsingle-crystalmaterialsGiantelectrostrictiverelaxorferroelectriccopolymersPhysicaleffect

ApplicationsHighpermittivityCapacitors(MLCs)PolarizationreversalFerroelectricfilmmemoryPyroelectricityPyroelectricsensors/detectorsElectroopticeffectElectroopticdevicesPiezoelectricityPiezoelectric/electrostrictivetransducersPTCeffectPTCthermistorsTypicalferroelectricceramicsBTBariumtitanatePZTLeadzirconatetitanatePLZTLeadlanthanumzirconatetitanatePMNLeadmagnesiumniobatePTLeadtitanatePZNLeadzincniobatePZSTLeadstannatezirconatetitanatePZLeadzirconateBSTBariumstrontiumtitanate§1.1铁电体的基本物理特性1自发极化与铁电体诱导极化：E≠0

P基本介电关系各向同性的线性电介质,P=

0E,

---电介质的极化率D=

0E+P,适用于各类电介质D=

E,适用于各向同性线性电介质电子位移极化,响应时间10-14

10-16s可见光频段,

e

a3离子位移极化,10-12

10-13s,微波频段，

I=

a3偶极子取向极化,

=

02/3KT空间电荷极化电极化的微观机制自发极化：在某些极性晶体中,E＝0

P，如:在钙钛矿结构中，自发极化起因于[BO6]中中心离子的位移极性点群:1,2,m,2mm,4,4mm,3,3m,6,6mmPs可用电滞回线仪,或通过热释电流测得一般,铁电体,Ps=0.1-100C/cm2BaTiO3Ps~25C/cm2ro+rTi=1.96ÅO-Ti=2.005Å热释电体(Pyroelectrics):具有自发极化的晶体--极性晶体热释电效应:dPi=pidT(i=1,2,3)pi----热释电系数,单位:C/m2.K大多数晶体的Ps随温度的增加而下降,热释点系数为负在热释电体中,高度极化状态,Ps很高,外场难以改变Ps方向少数,在E作用下Ps可重新定向----铁电体

铁电体(Ferroelectrics):

Ps

E

Ps重行定向-----铁电体的最重要判据------铁电体具有许多独特性质的主要原因铁电体是热释电体的一个亚族压电体(Piezoelectrics):非对称中心极性晶体一定不具对称中心Ferroelectrics<Pyroelectrics<Piezoelectrics<DielectricsInterrelationshipofpiezoelectric

andsubgroupsonthebasisofsymmetry2铁电体的分类按结晶学分类(a)氢键晶体，如KDP,RS结构特征：[PO4]，软铁电体(b)双氧化物晶体，如BT,PT,结构特点：[TiO6],硬铁电体按极性轴数目分类(a)单轴铁电体，如RS,KDP,LN,自发极化强度平行或反平行于极化轴(b)多轴铁电体，如BT,Cd2Nb2O7按铁电相变时原子的运动特点分类：(a)有序－无序型(b)位移型按Curie-Weiss常数C的大小分类：第一类铁电体，C~105K,大多属位移型第二类铁电体，C~103K,多属有序－无序型第三类铁电体，C~10K,或称非本征铁电体，其铁电相起因于压电性与弹性不稳定性的耦合3铁电体的电畴结构Ps退极化场体系能量(静电能+应变能)体系能量电畴/畴壁(静电能+应变能)畴壁能自由能极小值

电畴结构畴结构受晶体结构的制约,如:四方BaTiO3铁电相中存在两类铁电畴：180o电畴和90o电畴形成180o畴可以降低退极化能，形成非180o畴可以降低应变能电畴结构外电场作用下，180o畴的反转不产生应变，而非180o畴的反转则由于受到相邻畴的约束而产生应变。复杂的电畴结构BaTiO3中的电畴结构电畴壁结构电畴壁两侧极化矢量不连续磁畴壁(Bloch壁)中磁化矢量连续变化电畴运动成核与生