第6章壓電、鐵電材料

1、第六章 壓電、鐵電材料壓電材料壓電效應(yīng)： 某些物質(zhì)沿其一定的方向施加壓力或拉力時(shí)，隨著形變的產(chǎn)生，會(huì)在其某兩個(gè)相對(duì)的表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉形變消失后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為“正壓電效應(yīng)”： 機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?反之，在極化方向上（產(chǎn)生電荷的兩個(gè)表面）施加電場(chǎng)，它又會(huì)產(chǎn)生機(jī)械形變，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”：電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)稱為壓電材料。F FF F極極化化面面Q Q壓電壓電介介質(zhì)質(zhì)機(jī)機(jī)械械能能電電能能正正壓電壓電效效應(yīng)應(yīng)逆逆壓電壓電效效應(yīng)應(yīng)壓電壓電效效應(yīng)應(yīng)及及可逆性可逆性極化現(xiàn)象： 當(dāng)電介質(zhì)放入電場(chǎng)中時(shí)，電荷質(zhì)點(diǎn)在電場(chǎng)作用下發(fā)生相對(duì)位移，正電荷沿電

2、場(chǎng)作用方向移動(dòng)，負(fù)電荷向反方向移動(dòng)，形成許多電偶極子，即發(fā)生極化。電介質(zhì)，電場(chǎng)導(dǎo)致極化表面有電荷。壓電材料，機(jī)械作用導(dǎo)致極化表面有電荷。根據(jù)幾何結(jié)晶學(xué)，在32種點(diǎn)群中，只有20種無對(duì)稱中心的晶體，這20個(gè)點(diǎn)群都有可能產(chǎn)生壓電效應(yīng)。如石英就是一種壓電材料。壓電材料石英壓電效應(yīng)機(jī)理u 表示晶體中的質(zhì)點(diǎn)在某方向上的投影，此時(shí)晶體不受外力作用，正負(fù)電荷的重心重合，晶體表面的電荷亦為零。u 、(c)分別為受壓縮力與拉伸力的情況，這兩種受力情況所引起晶體表面帶電的符號(hào)正好相反。壓電陶瓷壓電陶瓷是一類具有壓電特性的電子陶瓷材料. 普通陶瓷是由許多小晶粒構(gòu)成的多晶體，這些小晶粒通常是無規(guī)則地排列，使陶瓷為各向

3、同性材料，一般無壓電效應(yīng)。為了使陶瓷能表現(xiàn)出宏觀的壓電特性，就必須將壓電陶瓷置于強(qiáng)直流電場(chǎng)下進(jìn)行極化處理，以使原來混亂取向的各自發(fā)極化矢量沿電場(chǎng)方向擇優(yōu)取向.在電場(chǎng)取消之后，經(jīng)過極化處理后的壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)。壓電陶瓷壓電陶瓷經(jīng)極化處理后，與極化方向垂直的兩端出現(xiàn)束縛電荷，由于這些束縛電荷的作用在陶瓷的兩個(gè)表面吸附一層來自外界的自由電荷，并使整個(gè)壓電陶瓷片呈電中性。當(dāng)對(duì)其施加一個(gè)與極化方向平行或垂直的外壓力，壓電陶瓷片將會(huì)產(chǎn)生形變，片內(nèi)束縛電荷層的間距變小，而使表面的自由電荷過剩出現(xiàn)放電現(xiàn)象。當(dāng)所受到的外力是拉力時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)充電現(xiàn)象。鈦酸鋇(BaTiO3)壓電陶瓷鈦酸鋇壓電陶瓷極化示意圖壓電

4、陶瓷材料1880年法國(guó)人居里兄弟發(fā)現(xiàn)了“壓電效應(yīng)”。1942年，第一個(gè)壓電陶瓷材料鈦酸鋇先后在美國(guó)、前蘇聯(lián)和日本制成。50年代初，又一種性能大大優(yōu)于鈦酸鋇的壓電陶瓷材料鋯鈦酸鉛研制成功。從此，壓電陶瓷的發(fā)展進(jìn)入了新的階段。如用多種元素改進(jìn)的鋯鈦酸鉛二元系壓電陶瓷，以鋯鈦酸鉛為基礎(chǔ)的三元系、四元系壓電陶瓷也都應(yīng)運(yùn)而生。這些材料性能優(yōu)異，制造簡(jiǎn)單，成本低廉，應(yīng)用廣泛。鈦酸鋇(BaTiO3)壓電陶瓷壓電陶瓷多是ABO3型化合物或幾種ABO3型化合物的固溶體。應(yīng)用最廣泛的壓電陶瓷是鈦酸鋇系和鋯鈦酸鉛系(PZT)陶瓷。鈦酸鋇(BaTiO3是一致性熔融化合物，其熔點(diǎn)為1618。14601618溫度下BaT

5、iO3屬于非鐵電的六方晶系點(diǎn)群。此時(shí)，六方晶系是穩(wěn)定的。此時(shí)，鈦酸鋇晶體正負(fù)電荷中心重合，所以不具備自發(fā)極化能力。鈦酸鋇(BaTiO3)壓電陶瓷在1460120之間鈦酸鋇轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎解}鈦礦型結(jié)構(gòu)。在此結(jié)構(gòu)中Ti4+(鈦離子)居于O2-(氧離子)構(gòu)成的氧八面體中央，Ba2+(鋇離子)則處于八個(gè)氧八面體圍成的空隙中。此時(shí)的鈦酸鋇晶體結(jié)構(gòu)對(duì)稱性極高，因此不具自發(fā)極化能力。鈦酸鋇(BaTiO3)壓電陶瓷隨著溫度下降，Ti4+偏離氧八面體的中心，則晶體的正、負(fù)電荷中心不重合，晶體的對(duì)稱性下降。當(dāng)溫度下降到120時(shí)，鈦酸鋇發(fā)生順電-鐵電相變。在室溫下，BaTiO3是屬四方晶系的鐵電體。綜上所述，在整個(gè)溫區(qū)(

6、Tc時(shí)，鐵電現(xiàn)象消失，處于順電相。當(dāng)TTc時(shí)，鐵電體處于鐵電相，當(dāng)T=Tc時(shí)發(fā)生相變。鐵電相是極化有序狀態(tài)，順電相則是極化無序狀態(tài)。 Tc稱為居里點(diǎn)。典型鐵電材料典型鐵電材料有：磷酸二氫鉀(KH2PO4)、鈦酸鋇（BaTiO3）等。a、一類以磷酸二氫鉀 KH2PO4 -簡(jiǎn)稱KDP-為代表，具有氫鍵，在居里溫度以上，質(zhì)子沿氫鍵的分布是成對(duì)稱沿展的形狀。在低于居里溫度時(shí)，質(zhì)子的分布較集中且不對(duì)稱于鄰近的離子，質(zhì)子會(huì)較靠近氫鍵的一端。b.另一類則以鈦酸鋇為代表，從順電相到鐵電像的過渡是由于其中兩個(gè)子晶格發(fā)生相對(duì)位移。自發(fā)極化的出現(xiàn)是由于正離子的子晶格與負(fù)離子的子晶格發(fā)生相對(duì)位移。鐵電材料的應(yīng)用u 可作信息儲(chǔ)存、圖像顯示u 像BaTiO3一類的鈣鈦礦型鐵電體具有很高的介電常數(shù)可以做成小體積大容量的陶瓷電容器。u 鐵電薄膜能用于不揮發(fā)存儲(chǔ)器，還可利用其壓電特性，用于制作壓力傳感器、聲學(xué)共振器等。u MEMS的微傳感器和微執(zhí)行器。非揮發(fā)性鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器非揮發(fā)性鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器（NvFeRAM）產(chǎn)品將ROM的非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)特性和RAM的無限次讀寫、高速讀寫以及低功耗等優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來。即使在電源中斷的情況下，存儲(chǔ)的信息也不會(huì)丟失。鐵電體不僅作為電容而且是存儲(chǔ)器的一部分。u 低電壓運(yùn)作（1.0-5.0V），低功耗。u 小尺寸，僅為EEPROM單元的20%。