第六鐵電性能和壓電性能材料物理

1、 6.1 6.1 鐵電性能鐵電性能 6.2 6.2 壓電性能壓電性能 6.3 6.3 介電性能介電性能6.1 6.1 鐵電性能鐵電性能一、鐵電體一、鐵電體二、鈦酸鋇自發(fā)極化的微觀機(jī)理二、鈦酸鋇自發(fā)極化的微觀機(jī)理三、鐵電疇三、鐵電疇四、鐵電體的性能及其應(yīng)用四、鐵電體的性能及其應(yīng)用介質(zhì)的各種極化機(jī)構(gòu)，所講極化都是介質(zhì)在外加介質(zhì)的各種極化機(jī)構(gòu)，所講極化都是介質(zhì)在外加電場中的性質(zhì)。沒有外加電場時(shí)，介質(zhì)的極化強(qiáng)電場中的性質(zhì)。沒有外加電場時(shí)，介質(zhì)的極化強(qiáng)度等于零；有外加電場時(shí)，介質(zhì)的極化強(qiáng)度與外度等于零；有外加電場時(shí)，介質(zhì)的極化強(qiáng)度與外加電場加電場E E 成正比。成正比。 介介質(zhì)質(zhì)線性介質(zhì)線性介質(zhì)非線性介

2、質(zhì)非線性介質(zhì)介質(zhì)的極化強(qiáng)度與外加電場的關(guān)系是非線性的。介質(zhì)的極化強(qiáng)度與外加電場的關(guān)系是非線性的。 鐵電體鐵電體1. 自發(fā)極化自發(fā)極化自發(fā)極化是鐵電體的本質(zhì)特征。在某溫度范圍內(nèi)，當(dāng)不自發(fā)極化是鐵電體的本質(zhì)特征。在某溫度范圍內(nèi)，當(dāng)不存在外加電場時(shí)，原晶胞中的正負(fù)電荷中心不相重合，存在外加電場時(shí)，原晶胞中的正負(fù)電荷中心不相重合，這樣每一個(gè)晶胞具有一定的固有偶極矩，這種極化形式這樣每一個(gè)晶胞具有一定的固有偶極矩，這種極化形式就是自發(fā)極化。就是自發(fā)極化。 一、鐵電體一、鐵電體產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因：在某些晶體中在某些晶體中, E 0 P，如如: 在鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中，自發(fā)極在鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中，自發(fā)極化起因于化起因于B

3、O6中中心離子的中中心離子的位移位移BO6氧八面體氧八面體鐵電體鐵電體 (Ferroelectrics) :(Ferroelectrics) : PsPs E E Ps Ps 重重新新定向定向 -鐵電體的最重要判據(jù)鐵電體的最重要判據(jù) - -鐵電體具有許多獨(dú)特性質(zhì)的主要原因鐵電體具有許多獨(dú)特性質(zhì)的主要原因鐵電體是在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化鐵電體是在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化，并且極化方向可隨外加電場做可逆轉(zhuǎn)動(dòng)的晶體。，并且極化方向可隨外加電場做可逆轉(zhuǎn)動(dòng)的晶體。鐵電體一定是極性晶體，但自發(fā)極化轉(zhuǎn)動(dòng)的晶體僅發(fā)生在某些特殊結(jié)鐵電體一定是極性晶體，但自發(fā)極化轉(zhuǎn)動(dòng)的晶體僅發(fā)生在某些特殊結(jié)構(gòu)晶體當(dāng)中，在自

4、發(fā)極化轉(zhuǎn)向時(shí)，結(jié)構(gòu)不發(fā)生大的畸變。構(gòu)晶體當(dāng)中，在自發(fā)極化轉(zhuǎn)向時(shí)，結(jié)構(gòu)不發(fā)生大的畸變。2. 鐵電體的概念鐵電體的概念熱釋電體熱釋電體 (Pyroelectrics)：具有自發(fā)極化的晶體：具有自發(fā)極化的晶體-極性晶體極性晶體鐵電體是熱釋電體的一個(gè)亞族鐵電體是熱釋電體的一個(gè)亞族鐵電態(tài)下，晶體的極化與電場的關(guān)系：電滯回線，鐵電態(tài)下，晶體的極化與電場的關(guān)系：電滯回線，鐵電態(tài)鐵電態(tài)的一個(gè)標(biāo)志。的一個(gè)標(biāo)志。電滯回線是鐵電體的重要物理特征之一，也是判別鐵電性的電滯回線是鐵電體的重要物理特征之一，也是判別鐵電性的一個(gè)重要判據(jù)。一個(gè)重要判據(jù)。Ps飽和極化強(qiáng)度飽和極化強(qiáng)度Pr剩余極化強(qiáng)度（剩余極化強(qiáng)度（remane

5、nt polarization）Ec矯頑場強(qiáng)（矯頑場強(qiáng)（corcive field） 2KV/cm 120KV/cm按照按照Ec大小可將鐵電體分為：大小可將鐵電體分為： 軟鐵電體小軟鐵電體小Ec 硬鐵電體大硬鐵電體大Ec 3. 鐵電體的分類鐵電體的分類結(jié)晶化學(xué)分類法：結(jié)晶化學(xué)分類法： 含氫鍵的晶體（含氫鍵的晶體（KDP、RS）和雙氧化物晶體（）和雙氧化物晶體（BT、PT、LN）按極化軸數(shù)目分類：按極化軸數(shù)目分類： 單軸鐵電體（單軸鐵電體（RS、KDP、LN）和多軸鐵電體（）和多軸鐵電體（BT）按原型相有無對稱中心分類：按原型相有無對稱中心分類： 壓電性鐵電體（壓電性鐵電體（KDP、RS）和非壓

6、電性鐵電體（）和非壓電性鐵電體（BT）按鐵電相變時(shí)原子運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)分類：按鐵電相變時(shí)原子運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)分類： 有序無序型相變的（有序無序型相變的（RS）和位移型相變的（）和位移型相變的（BT、PT、LN）按居里外斯常數(shù)按居里外斯常數(shù)C的大小分類：的大小分類： I類（類（105k）、）、II類（類（103k） 、III類（類（10k）按極化反轉(zhuǎn)時(shí)原子位移的維數(shù)分類：按極化反轉(zhuǎn)時(shí)原子位移的維數(shù)分類： 一維、二維、三維一維、二維、三維軟鐵電體軟鐵電體硬鐵電體硬鐵電體常見的鐵電材料常見的鐵電材料有序有序-無序無序型鐵電體型鐵電體位移型鐵位移型鐵電體電體自發(fā)極化同個(gè)別離子的有序化相聯(lián)系自發(fā)極化同個(gè)別離子的有序化相

7、聯(lián)系 自發(fā)極化同一類離子的亞點(diǎn)陣相對于自發(fā)極化同一類離子的亞點(diǎn)陣相對于另一類亞點(diǎn)陣的整體位移相聯(lián)系另一類亞點(diǎn)陣的整體位移相聯(lián)系 含有氫鍵：含有氫鍵：KHKH2 2POPO4 4鈣鈦礦結(jié)構(gòu)：鈣鈦礦結(jié)構(gòu)：BaTiOBaTiO3 3鐵鈦礦結(jié)構(gòu)鐵鈦礦結(jié)構(gòu)1. BaTiO3的晶體結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu)有 氧 八 面 體有 氧 八 面 體骨架的骨架的ABO3晶格晶格 二、二、BaTiOBaTiO3 3自發(fā)極化的微觀機(jī)理自發(fā)極化的微觀機(jī)理BaTiO3的晶體結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)2. BaTiO3的相變的相變立方晶系立方晶系四方晶系四方晶系斜方晶系斜方晶系菱形結(jié)構(gòu)菱形結(jié)構(gòu)Tc居里溫度居里溫度5C-80C無

8、自發(fā)極化無自發(fā)極化 自發(fā)極化沿自發(fā)極化沿c c軸軸001001方向方向自發(fā)極化沿自發(fā)極化沿 011011方向方向自發(fā)極化沿自發(fā)極化沿 111111方向方向鐵電態(tài)鐵電態(tài) 順電態(tài)順電態(tài) 120C正方結(jié)構(gòu)正方結(jié)構(gòu)BaTiO3中，中， Ti4+ 、O2-離子的位移情況離子的位移情況離子位移理論離子位移理論 居里溫居里溫度以上度以上兩個(gè)兩個(gè)O2-離子間的空隙離子間的空隙大于大于Ti4+離子的直徑，離子的直徑，其在氧八面體內(nèi)有位移其在氧八面體內(nèi)有位移的余地，溫度較高時(shí)的余地，溫度較高時(shí)（大于（大于120C），離子），離子熱振動(dòng)能較大，因此熱振動(dòng)能較大，因此Ti4+離子接近周圍離子接近周圍6個(gè)個(gè)O2-離子的

9、幾率相等，離子的幾率相等，晶胞內(nèi)不會產(chǎn)生電矩，晶胞內(nèi)不會產(chǎn)生電矩，自發(fā)極化為自發(fā)極化為0。溫 度 降 低 （ 小 于溫 度 降 低 （ 小 于120C），）， Ti4+離子離子熱振動(dòng)能降低，熱振熱振動(dòng)能降低，熱振動(dòng)能特別低的動(dòng)能特別低的Ti4+不不足以克服足以克服Ti4+和和O2-離離子間的電場作用，就子間的電場作用，就有可能向某一個(gè)有可能向某一個(gè)O2-離子靠近，發(fā)生自發(fā)離子靠近，發(fā)生自發(fā)位移，使這個(gè)位移，使這個(gè)O2-離離子發(fā)生強(qiáng)烈的電子位子發(fā)生強(qiáng)烈的電子位移極化。移極化。晶體沿著這個(gè)晶體沿著這個(gè)方向延長，晶方向延長，晶胞發(fā)生畸變，胞發(fā)生畸變，晶體從立方結(jié)晶體從立方結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆綐?gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆浇Y(jié)

10、構(gòu)，晶胞中結(jié)構(gòu)，晶胞中出現(xiàn)了電矩，出現(xiàn)了電矩，即發(fā)生了自發(fā)即發(fā)生了自發(fā)極化。極化。3. BaTiO3自發(fā)極化的微觀機(jī)理自發(fā)極化的微觀機(jī)理以中央四個(gè)以中央四個(gè)O2-為參考，各離子的位移情況為參考，各離子的位移情況自發(fā)極化包括兩部分：自發(fā)極化包括兩部分：1. 直接由于離子位移（直接由于離子位移（39%） 2. 由于電子云的形變由于電子云的形變 OTaLi(a)(b)(a)LiTaO3的六角晶胞，氧未畫出的六角晶胞，氧未畫出(b)其在其在c平面上的投影平面上的投影鈦鐵礦結(jié)構(gòu)鈦鐵礦結(jié)構(gòu)LiNbO3、LiTaO3c軸(a)(b)LiTaO3晶體結(jié)構(gòu)示意圖，水平線代表氧平面晶體結(jié)構(gòu)示意圖，水平線代表氧平面

11、LiNbO3和和LiTaO3晶體結(jié)構(gòu)是晶體結(jié)構(gòu)是鐵電陶瓷中電疇結(jié)構(gòu)示意圖鐵電陶瓷中電疇結(jié)構(gòu)示意圖三、鐵電疇三、鐵電疇鐵電材料中的電疇類似于磁性材料中的磁疇，是由許多鐵電材料中的電疇類似于磁性材料中的磁疇，是由許多晶胞組成的具有相同自發(fā)極化方向的小區(qū)域。晶胞組成的具有相同自發(fā)極化方向的小區(qū)域。 1. 概念概念2. 疇壁疇壁 （1 1）概念：兩鐵電疇之間的界壁稱為疇壁）概念：兩鐵電疇之間的界壁稱為疇壁兩電疇兩電疇“首尾相連首尾相連”使體系的能量最低使體系的能量最低疇壁示意圖疇壁示意圖（2 2）類型：）類型：90疇壁疇壁180疇壁疇壁兩電疇的自發(fā)極化方向互成兩電疇的自發(fā)極化方向互成90較厚：較厚：5

12、0-100A兩電疇的自發(fā)極化方向互成兩電疇的自發(fā)極化方向互成180較薄較?。?-20A電疇結(jié)構(gòu)電疇結(jié)構(gòu)電疇壁結(jié)構(gòu)電疇壁結(jié)構(gòu)電疇壁兩側(cè)極化矢電疇壁兩側(cè)極化矢量不連續(xù)量不連續(xù)磁疇壁磁疇壁(Bloch壁壁)中磁中磁化矢量連續(xù)變化化矢量連續(xù)變化復(fù)雜的電疇結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電疇結(jié)構(gòu)BaTiO3中的電疇結(jié)構(gòu)中的電疇結(jié)構(gòu)弛豫鐵電單晶中的電疇結(jié)構(gòu)弛豫鐵電單晶中的電疇結(jié)構(gòu) 3. 觀察方法觀察方法 （1 1）電子顯微技術(shù)）電子顯微技術(shù) （2 2）光學(xué)技術(shù)）光學(xué)技術(shù) （3 3）化學(xué)腐蝕）化學(xué)腐蝕 （4 4）液晶法）液晶法 （5 5）X X射線形貌技術(shù)射線形貌技術(shù) （6 6）粉末沉積法）粉末沉積法 （7 7）紫外光電發(fā)射）紫

13、外光電發(fā)射 （8 8）熱電技術(shù)）熱電技術(shù) 掃描電鏡技術(shù)（掃描電鏡技術(shù)（SEM）透射電鏡技術(shù)（透射電鏡技術(shù)（TEM） 分辨率高分辨率高可直觀觀察電場下電可直觀觀察電場下電疇的變化疇的變化 (a)0.1m(c)1.0m(b)0.1m多晶多晶LiTaO3晶粒內(nèi)箭尾型晶粒內(nèi)箭尾型90 電疇結(jié)構(gòu)與曲流狀電疇結(jié)構(gòu)與曲流狀180 電疇結(jié)構(gòu)電疇結(jié)構(gòu)采用電鏡技術(shù)觀察時(shí)采用電鏡技術(shù)觀察時(shí) ，90 疇經(jīng)常呈現(xiàn)箭尾形（疇經(jīng)常呈現(xiàn)箭尾形（herringbone）、板條狀）、板條狀（banded）、層狀（）、層狀（lamellar）、尖劈狀（）、尖劈狀（wedge-shaped）或匕首狀）或匕首狀（dagger-shap

14、ed）的形貌，而）的形貌，而180 疇為不規(guī)則的水痕狀（疇為不規(guī)則的水痕狀（water-mark）或曲流狀（或曲流狀（dagger-shaped）。）。 (a)(b)0.1m0.2m多晶多晶LiTaO3晶粒內(nèi)薄片狀和箭尾型晶粒內(nèi)薄片狀和箭尾型90 電疇結(jié)構(gòu)電疇結(jié)構(gòu)(a)0.4m(b)0.2m多晶多晶LiTaO3晶粒內(nèi)晶粒內(nèi)90 尖劈狀疇與尖劈狀疇與180 曲流狀疇曲流狀疇(a)(b)0.2m0.1mC1C2C3C4C5C6C7D1D2D3E6E5E4E1E2E3ABF(c)0.1m多晶多晶LiTaO3晶粒內(nèi)板條狀與尖劈狀晶粒內(nèi)板條狀與尖劈狀90 疇以及曲流狀疇以及曲流狀180 疇疇4. 電疇的

15、形成電疇的形成 電疇的形成服從鐵電體內(nèi)部能量最低原理。晶體由順電相電疇的形成服從鐵電體內(nèi)部能量最低原理。晶體由順電相進(jìn)入鐵電相時(shí)，伴隨著自發(fā)極化將出現(xiàn)退極化場進(jìn)入鐵電相時(shí)，伴隨著自發(fā)極化將出現(xiàn)退極化場Ed，應(yīng)變，應(yīng)變x以及相變熱以及相變熱 Q。Ed與自發(fā)極化的突變與自發(fā)極化的突變 Ps反向，它使極化不反向，它使極化不穩(wěn)定。應(yīng)變穩(wěn)定。應(yīng)變x包括電致伸縮應(yīng)變和壓電應(yīng)變兩部分。包括電致伸縮應(yīng)變和壓電應(yīng)變兩部分。降低退極化能有兩個(gè)途徑：一是形成降低退極化能有兩個(gè)途徑：一是形成180 疇，二是載流子疇，二是載流子定向移動(dòng)屏蔽自發(fā)極化。定向移動(dòng)屏蔽自發(fā)極化。 降低應(yīng)變能的途徑是形成降低應(yīng)變能的途徑是形成9

16、0 疇或其他為對稱性允許的非疇或其他為對稱性允許的非180 疇。疇。 成核成核長大長大5. 電疇運(yùn)動(dòng)電疇運(yùn)動(dòng) 在電場或機(jī)械應(yīng)力場作用下，鐵電材料中電疇的取向能在電場或機(jī)械應(yīng)力場作用下，鐵電材料中電疇的取向能夠發(fā)生改變，電疇取向改變夠發(fā)生改變，電疇取向改變180 的稱為的稱為180 翻轉(zhuǎn)，改變翻轉(zhuǎn)，改變90 的稱為的稱為90 翻轉(zhuǎn)。翻轉(zhuǎn)。一般認(rèn)為電場既能引起一般認(rèn)為電場既能引起180 翻轉(zhuǎn)，也能引起翻轉(zhuǎn)，也能引起90 翻轉(zhuǎn)，而翻轉(zhuǎn)，而應(yīng)力場只能引起應(yīng)力場只能引起90 翻轉(zhuǎn)，也就是說翻轉(zhuǎn)，也就是說180 翻轉(zhuǎn)與應(yīng)力場無翻轉(zhuǎn)與應(yīng)力場無關(guān)。關(guān)。電疇翻轉(zhuǎn)過程實(shí)際上也是新疇的成核和長大過程，主要經(jīng)電疇翻轉(zhuǎn)

17、過程實(shí)際上也是新疇的成核和長大過程，主要經(jīng)歷以下四個(gè)階段：歷以下四個(gè)階段： （1）新疇成核）新疇成核 （2）疇的縱向長大）疇的縱向長大 （3）疇的橫向擴(kuò)張）疇的橫向擴(kuò)張 （4）疇的合并）疇的合并成核成核長大長大(a)(b)(c)(d)180 疇翻轉(zhuǎn)示意圖疇翻轉(zhuǎn)示意圖 (a)成核，成核，(b)和和(c)縱向長大，縱向長大，(d) 橫向長大橫向長大新疇的成核與疇壁的運(yùn)動(dòng)與晶體的各種性質(zhì)，如應(yīng)力分新疇的成核與疇壁的運(yùn)動(dòng)與晶體的各種性質(zhì)，如應(yīng)力分布、空間電荷、缺陷等有很大關(guān)系，在缺陷處容易形成布、空間電荷、缺陷等有很大關(guān)系，在缺陷處容易形成新疇。新疇。BaTiO3晶體的新疇晶體的新疇成核速率與外加電成

18、核速率與外加電場有關(guān)，即場有關(guān)，即新疇向前生長的速新疇向前生長的速度度v近似為近似為 : v = (E-E0)/exp(EanABCDEFABCDAA(a)(b)(c)(d)0.1m0.2m0.2m0.2mLiTaO3顆粒內(nèi)裂紋擴(kuò)展引起電疇翻轉(zhuǎn)的顆粒內(nèi)裂紋擴(kuò)展引起電疇翻轉(zhuǎn)的TEM照片照片電疇運(yùn)動(dòng)電疇運(yùn)動(dòng)電場電場/應(yīng)力應(yīng)力-極化反轉(zhuǎn)極化反轉(zhuǎn)極化極化(poling)過程過程:電場電場誘導(dǎo)自發(fā)極化定向排誘導(dǎo)自發(fā)極化定向排列列-壓電陶瓷的應(yīng)用基壓電陶瓷的應(yīng)用基礎(chǔ)礎(chǔ)電場誘導(dǎo)極化反轉(zhuǎn)電場誘導(dǎo)極化反轉(zhuǎn)-鐵鐵電存儲電存儲/電光應(yīng)用電光應(yīng)用6. 電滯回線分析電滯回線分析 無電場無電場晶體總電矩為晶體總電矩為0施

19、加電場施加電場沿電場方向電沿電場方向電疇擴(kuò)展、變大，疇擴(kuò)展、變大，與電場反平行與電場反平行方向電疇變小方向電疇變小極化強(qiáng)度隨外加極化強(qiáng)度隨外加電場增加而增加電場增加而增加O點(diǎn)點(diǎn) ：OA 段段 ：C 附近附近 ：電場繼電場繼續(xù)增大續(xù)增大電 疇 方 向 趨電 疇 方 向 趨于于 電場方向電場方向極化強(qiáng)度飽和極化強(qiáng)度飽和電場繼電場繼續(xù)增大續(xù)增大P與與E成線成線性關(guān)系性關(guān)系外推至外推至E =0時(shí)，時(shí)，得到自發(fā)極化得到自發(fā)極化強(qiáng)度強(qiáng)度Ps電場電場降低降低極化強(qiáng)極化強(qiáng)度減小度減小E=0時(shí)，存在剩時(shí)，存在剩余極化強(qiáng)度余極化強(qiáng)度Pr電場反向達(dá)電場反向達(dá)到到-Ec時(shí)，剩時(shí)，剩余極化全部余極化全部消失。消失。大部

20、分電疇仍停大部分電疇仍停留在極化方向留在極化方向Ec矯頑電矯頑電場強(qiáng)度場強(qiáng)度電滯回線是材料內(nèi)電滯回線是材料內(nèi)部電疇運(yùn)動(dòng)的宏觀部電疇運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)。表現(xiàn)。如果與微位移計(jì)聯(lián)動(dòng)，可如果與微位移計(jì)聯(lián)動(dòng)，可測得鐵電體的應(yīng)變電場測得鐵電體的應(yīng)變電場曲線曲線在壓電陶瓷研在壓電陶瓷研究中經(jīng)常應(yīng)用究中經(jīng)常應(yīng)用四、鐵電體的性能及其應(yīng)用四、鐵電體的性能及其應(yīng)用1. 鐵電體的特性鐵電體的特性（1）具有電滯回線）具有電滯回線（2）具有結(jié)構(gòu)相變溫度，即居里點(diǎn)）具有結(jié)構(gòu)相變溫度，即居里點(diǎn)（3）具有臨界特性）具有臨界特性溫度對電滯回線溫度對電滯回線的影響的影響B(tài)aTiO3的電的電滯回線滯回線2. 鐵電陶瓷的結(jié)構(gòu)、性能與應(yīng)用鐵

21、電陶瓷的結(jié)構(gòu)、性能與應(yīng)用n鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)n鎢青銅結(jié)構(gòu)鎢青銅結(jié)構(gòu)n鉍層狀結(jié)構(gòu)鉍層狀結(jié)構(gòu)n焦綠石結(jié)構(gòu)焦綠石結(jié)構(gòu)n鈦鐵礦結(jié)構(gòu)鈦鐵礦結(jié)構(gòu) 共同特點(diǎn)共同特點(diǎn): 含氧八面體含氧八面體 自發(fā)極化的起因自發(fā)極化的起因: 氧八面體氧八面體中心離子的相對位移中心離子的相對位移 屬位移型鐵電體屬位移型鐵電體鐵電陶瓷的制備工藝流程：鐵電陶瓷的制備工藝流程：粉體合成細(xì)化成型燒結(jié)被覆電極性能測試粉體合成細(xì)化成型燒結(jié)被覆電極性能測試粉體合成：粉體合成：固態(tài)反應(yīng)法（固態(tài)反應(yīng)法（solid state reaction）共沉淀法共沉淀法 (coprecipitation)溶膠凝膠法溶膠凝膠法 (sol-gel proce

22、ss)器件的制備工藝器件的制備工藝多層陶瓷技術(shù)，如多層陶瓷電容器的制備工藝多層陶瓷技術(shù)，如多層陶瓷電容器的制備工藝 高介電常數(shù)高介電常數(shù) making them useful as capacitor and energy storage materials 介電損耗較低介電損耗較低 (0.1%-5%) 高電阻率高電阻率 ( 1013 -cm) 中等的介電擊穿強(qiáng)度中等的介電擊穿強(qiáng)度 100-120KV/cm for bulk and 500-800kV/cm for thin films 非線性電學(xué)性能非線性電學(xué)性能 (hysteresis loop) v高介電容器材料高介電容器材料利用高介電

23、常數(shù)特性利用高介電常數(shù)特性 MLCC, BaTiO3v鐵電薄膜存儲器鐵電薄膜存儲器利用極化反轉(zhuǎn)特性利用極化反轉(zhuǎn)特性 鐵電薄膜：鐵電薄膜：PZT, SrBi2Ta2O9v熱電探測器熱電探測器利用熱釋電效應(yīng)利用熱釋電效應(yīng), PT, Sr0.5Ba0.5Nb2O6陶瓷陶瓷v電光器件電光器件利用電光效應(yīng)，透明利用電光效應(yīng)，透明PLZT陶瓷（陶瓷（PLZT 9/65/35)v壓電器件壓電器件利用壓電和電致伸縮效應(yīng)，利用壓電和電致伸縮效應(yīng)，PZT, PMN-PT6.2 6.2 壓電性能壓電性能Piezoelectricity一、壓電效應(yīng)一、壓電效應(yīng)二、壓電振子及其參數(shù)二、壓電振子及其參數(shù)三、壓電陶瓷的預(yù)極

24、化三、壓電陶瓷的預(yù)極化四、壓電材料及其應(yīng)用四、壓電材料及其應(yīng)用一、壓電效應(yīng)一、壓電效應(yīng)1. 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)1880年由居里兄弟年由居里兄弟(J. Curie and P. Curie)發(fā)現(xiàn)的。發(fā)現(xiàn)的。 晶體的壓電效應(yīng)是晶體的壓電效應(yīng)是應(yīng)力和應(yīng)變等機(jī)械量應(yīng)力和應(yīng)變等機(jī)械量與與電場強(qiáng)度和電場強(qiáng)度和電位移電位移（或（或極化強(qiáng)度極化強(qiáng)度）等電學(xué)量等電學(xué)量之間的之間的耦合效應(yīng)耦合效應(yīng)。晶體介質(zhì)的極化晶體介質(zhì)的極化 ：電荷與應(yīng)力成比例，用介質(zhì)電位移電荷與應(yīng)力成比例，用介質(zhì)電位移D和應(yīng)力和應(yīng)力X表達(dá)如下：表達(dá)如下：式中式中D的單位為的單位為C/m2，X的單位為的單位為N/m2，d稱為稱為壓電常數(shù)壓電常數(shù)(

25、C/N)。dXD 某些晶體在一定方向上施加機(jī)械應(yīng)力發(fā)生形變，使介電某些晶體在一定方向上施加機(jī)械應(yīng)力發(fā)生形變，使介電體內(nèi)正負(fù)電荷中心相對位移而極化，表面產(chǎn)生數(shù)量相等、體內(nèi)正負(fù)電荷中心相對位移而極化，表面產(chǎn)生數(shù)量相等、符號相反的束縛電荷，束縛電荷密度與作用應(yīng)力成正比符號相反的束縛電荷，束縛電荷密度與作用應(yīng)力成正比。對晶體在一定方向上施加電場，電場使介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電對晶體在一定方向上施加電場，電場使介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心位移，則會產(chǎn)生形變，形變與電場強(qiáng)度成正比荷中心位移，則會產(chǎn)生形變，形變與電場強(qiáng)度成正比。 ： 其應(yīng)變其應(yīng)變S與電場強(qiáng)度與電場強(qiáng)度E(V/m)的關(guān)系的關(guān)系dES 對于正、逆壓電效應(yīng)，比例常

26、數(shù)對于正、逆壓電效應(yīng)，比例常數(shù)d在數(shù)值上相等在數(shù)值上相等ESXDd/具有壓電效應(yīng)的晶體稱為具有壓電效應(yīng)的晶體稱為 2. 壓電晶體壓電晶體壓電性取決于晶體的對稱性，壓電性對晶體對稱性的要求壓電性取決于晶體的對稱性，壓電性對晶體對稱性的要求無對稱中心無對稱中心v只有只有20個(gè)點(diǎn)群的晶體具有壓電性個(gè)點(diǎn)群的晶體具有壓電性v鐵電陶瓷經(jīng)極化處理后，才呈現(xiàn)壓電效應(yīng)。鐵電陶瓷經(jīng)極化處理后，才呈現(xiàn)壓電效應(yīng)。Category: Dielectrics Piezoelectrics Pyroelectrics Ferroelectrics二、壓電振子及其參數(shù)二、壓電振子及其參數(shù)1. 諧振頻率與反諧振頻率諧振頻率與反

27、諧振頻率壓電振子是最基本的壓電元件，它是被覆電極的壓電體。壓電振子是最基本的壓電元件，它是被覆電極的壓電體。1. 諧振頻率與反諧振頻率諧振頻率與反諧振頻率2. 頻率常數(shù)頻率常數(shù)3. 機(jī)電耦合系數(shù)機(jī)電耦合系數(shù)4. 機(jī)械品質(zhì)因數(shù)機(jī)械品質(zhì)因數(shù)參參數(shù)數(shù)v交變電場交變電場 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng) 機(jī)械振動(dòng)機(jī)械振動(dòng) 當(dāng)當(dāng) fE = f固固， 機(jī)械諧振機(jī)械諧振 輸出電能輸出電能 壓電振子諧振時(shí)，輸出電流最大，此時(shí)的頻率為最小壓電振子諧振時(shí)，輸出電流最大，此時(shí)的頻率為最小阻抗頻率阻抗頻率fm。 信號頻率繼續(xù)增大到信號頻率繼續(xù)增大到fn ，輸出的電流達(dá)到最小值，輸出的電流達(dá)到最小值，fn為最大阻抗頻率。為最大阻抗

28、頻率。 壓電振子在最小阻抗頻率壓電振子在最小阻抗頻率fm附近，存在一個(gè)使信號電附近，存在一個(gè)使信號電壓與電流同相位的頻率，即壓電振子的諧振頻率壓與電流同相位的頻率，即壓電振子的諧振頻率fr 。 在在fn附近存在另一個(gè)使信號電壓與電流同相位的頻率，附近存在另一個(gè)使信號電壓與電流同相位的頻率，就是壓電振子的反諧振頻率就是壓電振子的反諧振頻率fa。諧振頻率諧振頻率 fr反諧振頻率反諧振頻率 fa壓電振子的阻抗特性曲線壓電振子的阻抗特性曲線2. 頻率常數(shù)頻率常數(shù)壓電元器件的諧振頻率與沿振動(dòng)方向的長度的乘積為一壓電元器件的諧振頻率與沿振動(dòng)方向的長度的乘積為一常數(shù)，成為諧振常數(shù)常數(shù)，成為諧振常數(shù)N（kHz

29、m）。）。lfNrlYlfr21YNl21Y楊氏模量楊氏模量 材料密度材料密度3. 壓電陶瓷的機(jī)電耦合系數(shù)壓電陶瓷的機(jī)電耦合系數(shù)(electromechanical coupling factor)機(jī)電耦合系數(shù)機(jī)電耦合系數(shù) k 是衡量壓電體機(jī)電能量轉(zhuǎn)換能力的重是衡量壓電體機(jī)電能量轉(zhuǎn)換能力的重要參數(shù)，是恒量材料壓電性強(qiáng)弱的重要參數(shù)之一。要參數(shù)，是恒量材料壓電性強(qiáng)弱的重要參數(shù)之一。k2由機(jī)械能轉(zhuǎn)換的電能輸入的總機(jī)械能k2由電能轉(zhuǎn)換的機(jī)械能輸入的總電能或或4. 機(jī)械品質(zhì)因數(shù)機(jī)械品質(zhì)因數(shù) （mechanical quality factor)2耗的機(jī)械能諧振時(shí)振子每周期所損能諧振時(shí)振子儲存的機(jī)械mQ壓

30、電振子諧振時(shí)每周期內(nèi)單位體積貯存的機(jī)械能與損耗壓電振子諧振時(shí)每周期內(nèi)單位體積貯存的機(jī)械能與損耗的機(jī)械能之比。的機(jī)械能之比。三、壓電陶瓷的預(yù)極化三、壓電陶瓷的預(yù)極化壓電晶體壓電晶體陶瓷，多晶體各晶粒的壓電效應(yīng)互相抵消，陶瓷，多晶體各晶粒的壓電效應(yīng)互相抵消，宏觀上無電效應(yīng)宏觀上無電效應(yīng)。鐵電陶瓷具有自發(fā)極化，但是各晶粒自發(fā)極化方向紊亂鐵電陶瓷具有自發(fā)極化，但是各晶粒自發(fā)極化方向紊亂宏觀上無極性。宏觀上無極性。鐵電鐵電陶瓷陶瓷強(qiáng)直流強(qiáng)直流電場電場各晶粒的自發(fā)各晶粒的自發(fā)極化規(guī)則排列極化規(guī)則排列去除直去除直流電場流電場剩余極化剩余極化宏觀具宏觀具有極性有極性壓電性能壓電性能鐵電鐵電陶瓷陶瓷壓電陶瓷壓電

31、陶瓷只有經(jīng)過極化處理的陶瓷才能顯示壓電效用。只有經(jīng)過極化處理的陶瓷才能顯示壓電效用。選擇極化條件的三個(gè)因素：選擇極化條件的三個(gè)因素：極化電場極化電場極化溫度極化溫度極化時(shí)間極化時(shí)間矯頑場強(qiáng)是極化時(shí)選擇場強(qiáng)的下限，飽和場強(qiáng)矯頑場強(qiáng)是極化時(shí)選擇場強(qiáng)的下限，飽和場強(qiáng)是極化時(shí)選擇場強(qiáng)的上限，是極化時(shí)選擇場強(qiáng)的上限， 一般一般 E(23) Ec 極化電場是極化的主要因素，極化電場越高，促使電疇極化電場是極化的主要因素，極化電場越高，促使電疇取向排列的作用越大，極化越充分。取向排列的作用越大，極化越充分。提高極化溫度可提高極化效果提高極化溫度可提高極化效果 溫度升高，各向異性降低（四方相溫度升高，各向異性降低（四方相c/a比降低），電疇做比降低），電疇做90o 疇轉(zhuǎn)應(yīng)力??；疇轉(zhuǎn)應(yīng)力小； 極化溫度高，電疇運(yùn)動(dòng)能力強(qiáng)，極化溫度高，電疇運(yùn)動(dòng)能力強(qiáng)，Ec與飽和場強(qiáng)降低；與飽和場強(qiáng)降低； 溫度過高，擊穿強(qiáng)度降低，極化溫度一般溫度