介質(zhì)的電極化響應(yīng).ppt

1、鐵電原理,電介質(zhì)材料的研究進(jìn)展,電介質(zhì)的唯象理論,緒論,介質(zhì)的電極化響應(yīng),電介質(zhì)中的電荷轉(zhuǎn)移,電介質(zhì)物理學(xué),5.1 概述,介質(zhì)的電極化 固體電介質(zhì) 電介質(zhì)物理學(xué),電介質(zhì)：在電場(chǎng)作用下，能建立極化的一切物質(zhì)。通常是指電阻率大于1010cm的一類在電場(chǎng)中以感應(yīng)而并非傳導(dǎo)的方式呈現(xiàn)其電學(xué)性能的物質(zhì)。 電介質(zhì)的主要性能：介電常數(shù)、電導(dǎo)、介電損耗因子、介電強(qiáng)度。,常見的電容器，按其極板的形狀有：平行板電容器、球形電容器和柱形電容器等。,按其中的電介質(zhì)分有：真空電容器、空氣電容器、云母電容器、陶瓷電容器，.,按其電容值：可變電容器和固定電容器。,幾種常見電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù),按物質(zhì)組成：電介質(zhì)分為無(wú)機(jī)電介

2、質(zhì)和有機(jī)電介質(zhì)。 按物質(zhì)的聚集態(tài)：則可將電介質(zhì)分為氣體電介質(zhì)、液體電介質(zhì)、固體電介質(zhì)。 按物質(zhì)原子排列的有序化分類：可將電介質(zhì)分成晶體電介質(zhì)和非晶態(tài)。 按電介質(zhì)電荷在空間分布的情況進(jìn)行分類：分為極性電介質(zhì)和非極性（中性）電介質(zhì)。 按電介質(zhì)組成成分的均勻度進(jìn)行分類：又可將電介質(zhì)分為均勻電介質(zhì)和非均勻介質(zhì),電介質(zhì)分類,陶瓷電介質(zhì)的主要應(yīng)用： 電子電路中的電容元件、電絕緣體、諧振器。某些具有特殊性能的材料，如：具有壓電效應(yīng)、鐵電效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)等特殊功能的電介質(zhì)材料在電聲、電光等技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。,典型的半導(dǎo)體如碘硫化銻 (SbSI)、砷化鎵（GaAs）、氧化鋅（ZnO）、硫化鎘（CdS）

3、等也可歸入特殊類型的電介質(zhì)：極性電介質(zhì)壓電半導(dǎo)體；在高頻電場(chǎng)作用下，甚至金屬薄層也可看成是高損耗的電介質(zhì)。此外溫度足夠高時(shí)，半導(dǎo)體和電介質(zhì)卻成為導(dǎo)體。因此，物質(zhì)電學(xué)性質(zhì)的這種分類是相對(duì)的，得隨具體條件而定。,無(wú)機(jī)材料與有機(jī)材料比較： 有機(jī)材料: 便宜、易制成更精確的尺寸； 無(wú)機(jī)材料:具有優(yōu)良的電性能;室溫時(shí)在應(yīng)力作用下，無(wú)蠕變或形變; 有較大的抵抗環(huán)境變化能力（特別是在高溫下，塑料常會(huì)氧化、氣化或分解）;能夠與金屬進(jìn)行氣密封接而成為電子器件不可缺少的部分。,目前的發(fā)展方向：新型器件的研制、提高使用頻率范圍、擴(kuò)大環(huán)境條件范圍，特別是溫度范圍。近年來(lái)電介質(zhì)的研究有很大發(fā)展。新型的具有特殊性能的電介

4、質(zhì)材料不斷被發(fā)現(xiàn)和制造出來(lái)，電介質(zhì)的應(yīng)用已不僅限于絕緣和儲(chǔ)能方面，而且涉及換能、熱電探測(cè)、電光調(diào)制、非線性光學(xué)、光信息存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)處理等廣大領(lǐng)域。電介質(zhì)已成為完成和執(zhí)行特殊功能的重要材料。,5.2 介質(zhì)的電極化響應(yīng),基本概念 電介質(zhì)的微觀極化機(jī)制 有效場(chǎng) 介電弛豫 諧振吸收和色散,一、基本概念,1、電位移和電極化 2、宏觀物質(zhì)中的電磁運(yùn)動(dòng) 3、介質(zhì)在交變電場(chǎng)中的損耗,介電損耗的形式,電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，內(nèi)部通過(guò)電流有以下內(nèi)容： 電容電流：由樣品的幾何電容充電引起電流（位移電流）； 介質(zhì)極化的建立引起電流：與極化松弛等有關(guān)； 介質(zhì)的電導(dǎo)（漏導(dǎo)）造成的電流：與自由電荷有關(guān)。 能量損耗：松弛極化損耗、

5、電導(dǎo)損耗、離子變形和振動(dòng)損耗,3 介質(zhì)在交變電場(chǎng)中的損耗,損耗因子,在真空中的平行平板式電容器兩極板上加交變電壓V=Voe it，電容上的電流與外電壓相差90o的位相。 由 Q=CoV V=Q/Co=Idt/Co I=CodV/dt 電容上的電流： Io=iCoV 兩極板間充入非極性完全絕緣的材料， 電容上的電流：I=iCV= irCoV= rIo,如果介質(zhì)有微弱的導(dǎo)電，則其中有一個(gè)與外加電壓相位相同的小電流（I= iCV+GV）通過(guò),V,iCV,設(shè)電導(dǎo)G僅由自由電荷產(chǎn)生，則: G=S/d , 由于電容: C=l S/d 則電流密度: j=(il + )E= *E= il* E,復(fù)電導(dǎo)率* 的

6、定義： *= il + 復(fù)介電常數(shù)的定義： l*= * / i= l - i / 損耗角的定義：tg=損耗項(xiàng)/電容項(xiàng)=/ l 得： = l tg （ l tg 僅與介質(zhì)有關(guān)） 損耗因子：l tg （其大小作為絕緣材料的判據(jù)）,介電松弛或弛豫,理想電介質(zhì),實(shí)際電介質(zhì),V,Q,I,V,Q,I,電荷累積與電流特性,時(shí)間,極化強(qiáng)度隨時(shí)間變化的速率與其最終數(shù)值和某時(shí)刻實(shí)際值之差有以下關(guān)系： d(Pt Po)/dt=(PPo) (PtPo)/ PtPo=(PPo) (1e-t/ ),r()=+ (0) - /(1+i ) r = + (0) - /(1+ 22) （r()的實(shí)部） r = (0) - /(

7、1+ 22) （ r()的虛部） tg=r/ r 其中： (0) -低或靜態(tài)的相對(duì)介電常數(shù) - 時(shí)的相對(duì)介電常數(shù) 德拜研究了電介質(zhì)的介電常數(shù)r 、反映介電損耗的r、所加電場(chǎng)的角頻率及松弛時(shí)間間的關(guān)系。,德拜公式：,考慮自由電荷與束縛電荷的松弛對(duì)介電常數(shù)的影響，復(fù)介電常數(shù)普通表達(dá)式： l*= l - i l 則：tg=l/ l 有： = ltg = ltg= l （ = l介質(zhì)的等效電導(dǎo)率）,（1） 具有一系列偶極子和束縛電荷的極化現(xiàn)象,1、 極化現(xiàn)象及其物理量,二、電介質(zhì)的微觀極化機(jī)制,在電場(chǎng)作用下,電介質(zhì)中出現(xiàn)電荷,使電容中的總場(chǎng)強(qiáng)減少，電勢(shì)差降低，電容增加；,電介質(zhì)表面出現(xiàn)的這種電荷只能在

8、分子范圍內(nèi)移動(dòng)，與電介質(zhì)是不可分離的，稱為極化電荷或束縛電荷。,電介質(zhì)在外電場(chǎng)作用下，其表面甚至內(nèi)部出現(xiàn)極化電荷的現(xiàn)象，叫做電介質(zhì)的極化。,單位板面上束縛電荷的數(shù)值(極化電荷密度）可以用單位體積材料中總的偶極矩即極化強(qiáng)度P來(lái)表示。 設(shè)N是體積V內(nèi)偶極矩的數(shù)目，電偶極矩相等于兩個(gè)異號(hào)電荷Q乘以間距d，則： P= N /V = Q d/V= Q/A,P,（3） 介質(zhì)的極化強(qiáng)度與宏觀可測(cè)量之間的關(guān)系,極板上自由電荷密度： Qo/A= CoV/A=(o A/d)V/A= o E （ E-兩極板間自由電荷形成的電場(chǎng)，也即宏觀電場(chǎng)） 介電材料存在時(shí)極板上電荷密度D:等于自由電荷密度與束縛電荷密度之和： 由

9、：r= (Qo+ Q1 )/Qo 得：r Qo /A = (Qo+ Q1 )/A 有： r o E = (Qo+ Q1 )/A= D D= o E+P= o r E = 1 E (l-絕對(duì)介電常數(shù)） P= (1 o)E = o ( r- 1) E 電介質(zhì)的電極化率e：束縛電荷和自由電荷的比例， e=P/ oE= (r-1 ) 得： P= o eE（作用物理量與感應(yīng)物理量間的關(guān)系）,2、極化機(jī)制,極化的基本形式： 位移式極化-彈性的、瞬間完成的、不消耗能量的極化。 非位移式極化-該極化與熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)，其完成需要一定的時(shí)間，且是非彈性的，需要消耗一定的能量。,（2） 離子位移極化,離子位移極化：離子

10、在電場(chǎng)的作用下，偏移平衡位置引起的極化。 在交變電場(chǎng)作用下，離子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)設(shè)想為彈簧振子。,+,+,E,X+,X-,感生的電偶極矩為： =q(x+x-) =iEloc,正離子受到的彈性恢復(fù)力：-k(x+x-) 負(fù)離子受到的彈性恢復(fù)力： -k(x- x+) 運(yùn)動(dòng)方程： M+a= -k(x+x-)+qEoe it M-a=-k(x- x+)+qEoe it 得： M*=M+M-/(M+M-) 彈性振子的固有頻率 ： o=(k/M*)1/2 離子位移極化率： e =1/(o2 2)q2/M* 0 靜態(tài)極化率： i =q2/M* o2= q2 k,（3） 松弛極化,松弛質(zhì)點(diǎn)：材料中存在著弱聯(lián)系的電

11、子、離子和偶極子。 松弛極化：松弛質(zhì)點(diǎn) 由于熱運(yùn)動(dòng)使之分布混亂， 電場(chǎng)力使之按電場(chǎng)規(guī)律分布，在一定溫度下發(fā)生極化。 松弛極化的特點(diǎn)：比位移極化移動(dòng)較大距離，移動(dòng)時(shí)需克服一定的勢(shì)壘，極化建立時(shí)間長(zhǎng)，需吸收一定的能量，是一種非可逆過(guò)程。,（3-1）離子松弛極化,結(jié)構(gòu)正常區(qū),缺陷區(qū),U松,U松,U導(dǎo)電,離子松弛極化率： T =q2x2/12kT 溫度越高，熱運(yùn)動(dòng)對(duì)質(zhì)點(diǎn)的規(guī)則運(yùn)動(dòng)阻礙增強(qiáng)，極化率減小。 離子松弛極化率比電子位移極化率大一個(gè)數(shù)量級(jí)，可導(dǎo)致材料大的介電常數(shù)。,（3-2）電子松弛極化,電子松弛極化： 材料中弱束縛電子在晶格熱振動(dòng)下，吸收一定能量由低級(jí)局部能級(jí)躍遷到較高能級(jí)處于激發(fā)態(tài)； 處于激

12、發(fā)態(tài)的電子連續(xù)地由一個(gè)陽(yáng)離子結(jié)點(diǎn)，移到另一個(gè)陽(yáng)離子結(jié)點(diǎn)； 外加電場(chǎng)使其運(yùn)動(dòng)具有一定的方向性，由此引起極化，使介電材料具有異常高的介電常數(shù)。,轉(zhuǎn)向極化在離子晶體中的應(yīng)用,一對(duì) 晶格空位 的定向,無(wú)極分子：電介質(zhì)分子的正負(fù)電荷“重心”是重合的,有極分子：電介質(zhì)分子的正負(fù)電荷“重心”是不重合的；等量的正負(fù)電荷“重心”互相錯(cuò)開，形成一定的電偶矩，即分子固有電矩。,(4-1) 無(wú)極分子的位移極化,無(wú)外電場(chǎng)時(shí)，分子正負(fù)電荷“重心”重合，電介質(zhì)不帶電。加上外電場(chǎng)后，在電場(chǎng)作用下電介質(zhì)分子正負(fù)電荷“重心”不再重合，出現(xiàn)誘導(dǎo)電偶極矩,加上外電場(chǎng)后，由于誘導(dǎo)電偶極矩的出現(xiàn)， 在介質(zhì)左右的兩個(gè)端面上出現(xiàn)極化電荷層。

13、,無(wú)外電場(chǎng)時(shí)，由于分子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，所有分子的固有電矩的矢量和平均說(shuō)來(lái)互相抵消，即p分子= 0，宏觀上不產(chǎn)生電場(chǎng)。,(4-2) 有極分子的轉(zhuǎn)向極化,在外電場(chǎng)中有極分子的固有電矩要受到一個(gè)力矩作用；在此力矩作用下，使電矩方向轉(zhuǎn)向和外電場(chǎng)方向一致。,加上外電場(chǎng)后，分子的固有電矩受力矩作用而發(fā)生轉(zhuǎn)向(1)，,加上外電場(chǎng)后，分子的固有電矩受力矩作用而發(fā)生轉(zhuǎn)向(2)，,加上外電場(chǎng)后，分子的固有電矩受力矩作用而發(fā)生轉(zhuǎn)向(3)，在電介質(zhì)左右兩端面上出現(xiàn)極化電荷。,各種極化形式的比較,化學(xué)成分為TiO2、晶體屬四方晶系的氧化物礦物，是TiO2的天然同質(zhì)三象中最穩(wěn)定和常見的一種。另兩種變體為銳鈦礦和板鈦礦，前

14、者亦屬四方晶體，但空間群與金紅石不同；板鈦礦則屬正交(斜方)晶系。金紅石晶體結(jié)構(gòu)中氧離子成畸變的六方緊密堆積，陽(yáng)離子鈦位于變形八面體空隙的中心,組成沿C軸延伸的共棱配位八面體鏈，鏈間由八面體共頂相連。,銳鈦礦和板鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)與金紅石結(jié)構(gòu)的主要差別，在于每一鈦氧八面體與相鄰八面體間的共棱數(shù)目，在金紅石中為 2而在銳鈦礦和板鈦礦中分別為4和3。金紅石常含F(xiàn)e(、Fe(、Nb(、Ta(等,其含量高的分別稱為鐵金紅石、鈮鐵金紅石和鉭鐵金紅石。,板鈦礦,銳鈦礦,金紅石通常呈帶雙錐的柱狀或針狀晶體，柱面上常有縱紋；有時(shí)亦呈粒狀。膝狀雙晶常見；針狀晶體間因雙晶而連生成網(wǎng)狀的稱為網(wǎng)金紅石。金紅石的顯微針狀晶

15、體常被包裹于石英、金云母、剛玉等晶體中；定向分布時(shí)，可使這些礦物晶體產(chǎn)生呈六射星形的光芒。金紅石通常呈紅棕色，富含鈮、鉭的呈黑色，條痕淡棕色，金剛光澤至半金屬光澤。柱面解理清楚。摩斯硬度6.5，比重4.2，富含鈮、鉭的最高可達(dá) 5.6。,金紅石作為副礦物產(chǎn)于花崗巖、片麻巖、云母片巖和榴輝巖等巖石中，也見于偉晶巖中。在高溫?zé)嵋好}中，它通常與磷灰石共生形成礦床。此外，還見于碎屑巖和砂礦中。金紅石的著名產(chǎn)地有：挪威，瑞典，俄羅斯伊爾門山，澳大利亞的新南威爾士和昆士蘭，美國(guó)的弗吉尼亞等。中國(guó)江蘇、遼寧、山東、河南、湖北、安徽等省也有產(chǎn)出。,金紅石型晶體的內(nèi)建電場(chǎng)結(jié)構(gòu)系數(shù),C11和C22均為負(fù)值，說(shuō)明同

16、種離子之間都有削弱外電場(chǎng)的作用。 C21和C12均為正值，說(shuō)明異種離子之間都有加強(qiáng)外電場(chǎng)的作用，且值相當(dāng)?shù)拇?，其結(jié)果使氧離子和鈦離子的極化加強(qiáng)，這種加強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)同種離子間的削弱，最終使晶體介電常數(shù)加大。,分 析,三、有效場(chǎng),克勞修斯-莫索蒂方程,外加電場(chǎng)E外,E1,外加電場(chǎng)E外(物體外部固定電荷所產(chǎn)生。 即極板上的所有電荷所產(chǎn)生） 構(gòu)成物體的所有質(zhì)點(diǎn)電荷的電場(chǎng)之和E1 （退極化電場(chǎng)，即由材料表面感應(yīng)的電荷所產(chǎn)生） E宏=E外+E1,1 .宏觀電場(chǎng)：,根據(jù)庫(kù)侖定律：dS面上的電荷作用在球心單位正電荷上的P方向分力dF： dF= （PcosdS/4o r2 ) cos 由 qE=F 1E=F E=

17、F dE=Pcos2dS/4or2 =(2rsinrd)(Pcos2/4or2 ) =Pcos2 sin /2o r2 d 整個(gè)空心球面上的電荷在O點(diǎn)產(chǎn)生的電場(chǎng)為： dE由0到的積分 洛倫茲場(chǎng)E2 ： E2 = P /3o,E3為只考慮質(zhì)點(diǎn)附近偶極子的影響，其值由晶體結(jié)構(gòu)決定，已證明，球體中具有立方對(duì)稱的參考點(diǎn)位置，如果所有原子都可以用平行的點(diǎn)型偶極子來(lái)代替，則E3 =0。 Eloc=E外+E1+P /3o=E+P /3o,根據(jù) D= o E+P 得 P =D o E=（ 1 o E = o（r1）E 由 Eloc=E外+E1+P /3o=E+P /3o 得 Eloc=（ r +2）E/3 設(shè)

18、介質(zhì)單位體積中的極化質(zhì)點(diǎn)數(shù)等于n，則又有 P= n =nEloc 得 （ r 1 ）/（ r +2 ）= n /（3 o ） 上式為克勞修斯-莫索蒂方程,3. 克勞修斯-莫索蒂方程,克勞修斯-莫索蒂方程的意義： 建立了可測(cè)物理量 r （宏觀量）與質(zhì)點(diǎn)極化率（微觀量）之間的關(guān)系。 克勞修斯-莫索蒂方程的適用范圍： 適用于分子間作用很弱的氣體、非極性液體、非極性固體、具有適當(dāng)對(duì)稱性的固體。 從克勞修斯-莫索蒂方程，討論高介電常數(shù)的質(zhì)點(diǎn)： （ r 1 ）/（ r +2 ）= n /（3 o ） （ r 1 ）/（ r +2 ）- r越大其值越大 介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)極化率大，極化介質(zhì)中極化質(zhì)點(diǎn)數(shù)多，則介質(zhì)具有

19、高介電常數(shù)。,一定溫度范圍內(nèi)、溫度每升高1時(shí)介電常數(shù)的相對(duì)平均變化率。表達(dá)式為:(式中， TK或?yàn)榻殡姵?shù)的溫度系數(shù)，-1；為介電常數(shù)，F(xiàn)/m ；d為溫度升高后介電常數(shù)的變化量；dt為溫度的升高值，)。對(duì)陶瓷介質(zhì)材料介電常數(shù)溫度系數(shù)也常用TKE或TK表示。溫度變化范圍通常為-25+85或-55+125。TK的數(shù)值是材料重要的電參數(shù)，用它可作為許多陶瓷介質(zhì)材料分類的依據(jù)，即有正、負(fù)和零溫度系數(shù)材料之分。不同材料的介電常數(shù)溫度系數(shù)可具有不同的用途。,介電常數(shù)的溫度系數(shù)的確定： 根據(jù)用途，對(duì)其有不同的要求 要求為正：濾波旁路和隔直流的電容器； 要求為負(fù)：熱補(bǔ)償電容器 接近于零：要求電容量熱穩(wěn)定性高和

20、高精度的電子儀器中的電容器。 目前的發(fā)展方向：介電常數(shù)的溫度系數(shù)接近于零，高的介電常數(shù)。,介質(zhì)在電場(chǎng)中的破壞,介質(zhì)的擊穿：外加電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)某一臨界值時(shí)，介質(zhì)由介電狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)的現(xiàn)象。 介電強(qiáng)度：相應(yīng)的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度。,熱擊穿,熱擊穿的本質(zhì)： 處于電場(chǎng)中的介質(zhì)，由于介質(zhì)損耗而受熱； 當(dāng)外加電壓足夠高時(shí)，散熱和發(fā)熱從平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)入非平衡狀態(tài)，介質(zhì)的溫度將越來(lái)越高，直至出現(xiàn)永久性破壞。,.4 介電強(qiáng)度,電擊穿,固體介質(zhì)電擊穿的碰撞電離理論： 在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，固體導(dǎo)帶中可能因冷或熱發(fā)射存在一些電子，這些電子被加速，獲得動(dòng)能； 高速電子與晶格振動(dòng)相互作用，把能量傳遞給晶格； 上述兩個(gè)過(guò)程在一定溫度和場(chǎng)強(qiáng)

21、下平衡時(shí)，固體介質(zhì)有穩(wěn)定的電導(dǎo)； 當(dāng)電子從電場(chǎng)中獲得能量大于傳遞給晶格振動(dòng)能量時(shí)，電子動(dòng)能越來(lái)越大； 大到一定值，電子與晶格振動(dòng)的相互作用導(dǎo)致電離產(chǎn)生新電子，使電子數(shù)目迅速增加，電導(dǎo)進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生擊穿。,5.5 鐵電原理,概述 特殊極化 鐵電體 壓電性,晶體的介電性：電場(chǎng)作用引起電介質(zhì)產(chǎn)生極化的現(xiàn)象. P= (1 o)E = o ( r- 1) E 正壓電效應(yīng)：電介質(zhì)材料在小外力作用下，在某些相對(duì)應(yīng)的表面上產(chǎn)生等量異號(hào)電荷，由形變產(chǎn)生電極化。P=d （不具有對(duì)稱中心的晶體）（水晶、羅息鹽、閃鋅礦） 逆壓電效應(yīng)： S=dtE 電致伸縮效應(yīng)：電介質(zhì)在大外力作用下，需考慮非線性項(xiàng)。S=vE2,

22、熱釋電效應(yīng)：在熱平衡條件下，電介質(zhì)因自發(fā)極化要產(chǎn)生表面束縛電荷，這種電荷被來(lái)自空氣中附集于電介質(zhì)表面上的自由電荷所補(bǔ)償，其電不能顯現(xiàn)出來(lái)，當(dāng)溫度發(fā)生變化，由溫度變化引起電介質(zhì)的極化狀態(tài)的改變不能及時(shí)被來(lái)自電介質(zhì)表面上的自由電荷所補(bǔ)償，使電介質(zhì)對(duì)外顯電性。Ps=p T（具有自發(fā)極化的晶體）. 鐵電性：在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化，在外電場(chǎng)作用下，自發(fā)極化能重新取向，電位移矢量與電場(chǎng)強(qiáng)度間的關(guān)系呈電滯回線特征。 （具有自發(fā)極化的晶體）.,5.5.2 特殊極化,+ -,未加應(yīng)力,加應(yīng)力不產(chǎn)生極化,加應(yīng)力產(chǎn)生極化， 正負(fù)電荷中心分開,(1) 不具有自發(fā)極化特性，但為不對(duì)稱中心結(jié)構(gòu)，在外力的作用下，產(chǎn)生

23、極化。,P,鐵電陶瓷的電滯回線,E,O,A,B,EC,Pr,C,Ps,Ps：無(wú)電場(chǎng)時(shí)單疇的自發(fā)極化強(qiáng)度 Pr：剩余極化強(qiáng)度；,EC矯頑場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng),自發(fā)極化：在某一低溫時(shí)由于熱能所造成的偶極子混亂排列被局部電場(chǎng)所克服，從而產(chǎn)生自發(fā)極化，晶體中每一個(gè)晶胞里存在固有的電偶極矩，形成永久偶極矩。這種電偶極子在無(wú)任何外場(chǎng)作用時(shí)自發(fā)排列。 極性晶體：具有自發(fā)極化特性的晶體。,鐵電體：在一定溫度范圍內(nèi)含有能自發(fā)極化，且自發(fā)極化方向可隨外電場(chǎng)作可逆轉(zhuǎn)動(dòng)晶體。即具有鐵電性晶體。 鐵電晶體的特點(diǎn)：極性晶體、特殊的晶體結(jié)構(gòu)（自發(fā)極化改變方向時(shí)，晶體構(gòu)造不發(fā)生大的畸變） 鐵電晶體的兩大類：有序無(wú)序型鐵電體（自發(fā)極化同個(gè)別

24、離子的有序化相聯(lián)系）；位移型鐵電體（自發(fā)極化同一類離子的亞點(diǎn)陣相對(duì)于另一類亞點(diǎn)陣的整體位移相聯(lián)系）。,. 鐵電相變及鈦酸鋇晶體的鐵電相變,鐵電體的位移性理論： 自發(fā)極化主要是由晶體中某些離子偏離了平衡位置，使單位晶胞中出現(xiàn)了偶極矩，偶極矩之間的相互作用使偏離平衡位置的離子在新的位置上穩(wěn)定下來(lái)，同時(shí)晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了畸變。,由熱運(yùn)動(dòng)引起的自發(fā)極化,（1）鐵電相變,等軸晶系（大于120oC） ： 晶胞常數(shù)：a=4.01A；氧離子的半徑：1.32A 鈦離子的半徑： 0.64A；鈦離子處于氧八面體中， 兩個(gè)氧離子間的空隙為：4.012 1.32= 1.37 鈦離子的直徑：2 0.64= 1.28,（2）鈦

25、酸鋇自發(fā)極化現(xiàn)象,鈦酸鋇的結(jié)構(gòu) 鈣鈦礦型結(jié)構(gòu),氧八面體空腔體積大于鈦離子體積，給鈦離子位移的留有余地。 較高溫度時(shí)，熱振動(dòng)能比較大，鈦離子難于在偏離中心的某一個(gè)位置上固定下來(lái)，接近六個(gè)氧離子的幾率相等，晶體保持高的對(duì)稱性，自發(fā)極化為零。 溫度降低，鈦離子平均熱振動(dòng)能降低，因熱漲落，熱振動(dòng)能特別低的離子占很大比例，其能量不足以克服氧離子電場(chǎng)作用，有可能向某一個(gè)氧離子靠近，在新平衡位置上固定下來(lái)，并使這一氧離子出現(xiàn)強(qiáng)烈極化，發(fā)生自發(fā)極化，使晶體順著這個(gè)方向延長(zhǎng)，晶胞發(fā)生輕微畸變，由立方變?yōu)樗姆骄w。,BaTiO3 晶體自發(fā)極化的微觀機(jī)理,離子位移理論： 自發(fā)極化主要是由晶體中某些離子偏離了平衡位置

26、造成的； 由于離子偏離了平衡位置，使得單位晶胞中出現(xiàn)了電距，電距之間的相互作用使偏離了平衡位置的離子在新的位置穩(wěn)定下來(lái)，與此同時(shí)晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了畸變；,BaTiO3 晶體自發(fā)極化的微觀機(jī)理,BaTiO3中氧八面體空腔大于Ti4+離子的體積，Ti4+離子在氧八面體內(nèi)有位移的余地，在較高溫度時(shí)（大于120），因?yàn)殡x子熱振動(dòng)能比較大， Ti4+離子不可能在偏離中心的某一位置固定下來(lái)，因此它接近周圍6個(gè)O2-的幾率是相等的，所以晶體結(jié)構(gòu)仍保持較高等對(duì)稱性（等軸晶系），晶胞內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生電距，即自發(fā)極化為0；,BaTiO3 晶體自發(fā)極化的微觀機(jī)理,當(dāng)溫度降低時(shí)（小于120），Ti4+離子的平均熱振動(dòng)能降低，不

27、足以克服Ti4+和O2-離子間的電場(chǎng)作用，就可能向某一個(gè)O2-離子靠近，在此新的平衡位置上固定下來(lái)，發(fā)生自發(fā)位移，并使這個(gè)O2-離子出現(xiàn)強(qiáng)烈的位移極化。 結(jié)果使晶體順著這個(gè)方向延長(zhǎng)，晶胞發(fā)生輕微的畸變。在Ti4+離子位移的方向，晶軸（c軸）略有伸長(zhǎng)，在其他方向（a,b軸）縮短，晶體從立方轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆浇Y(jié)構(gòu)，結(jié)果晶胞中出現(xiàn)了電距，即發(fā)生了自發(fā)極化,無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)，電疇在晶體中分布雜亂無(wú)章，使整個(gè)晶體表現(xiàn)為電中性，宏觀上無(wú)極性。 外電場(chǎng)作用時(shí)，沿電場(chǎng)方向極化疇長(zhǎng)大，逆電場(chǎng)方向的疇消失，其它方向分布的電疇轉(zhuǎn)到電場(chǎng)方向，極化強(qiáng)度隨外加電場(chǎng)的增加而增加，一直到整個(gè)結(jié)晶體成為一個(gè)單一的極化疇為止。如再繼續(xù)增加電

28、場(chǎng)只有電子與離子的極化效應(yīng)，和一般電介質(zhì)一樣。,由極化軸引起自發(fā)極化的晶體，這種晶體的內(nèi)部電場(chǎng)很強(qiáng)，外電場(chǎng)的作用并不能改變晶體的極化強(qiáng)度，也不能改變其方向，所有質(zhì)點(diǎn)的偶極矩都平行，這樣的熱釋電體大部分為一個(gè)電疇。 由熱運(yùn)動(dòng)引起的自發(fā)極化的晶體，產(chǎn)生多疇，有居里點(diǎn)和電滯回線等特性，這類晶體具有熱釋電性和鐵電性。,兩種極性（自發(fā)極化）晶體的比較：,具有壓電性的材料不一定是鐵電體 例如： 具有壓電性材料又具有鐵電性的材料 BaTiO3 、Pb(Zr、Ti)O3、 Pb(Co 1/3 Nb 2/3 )O3 、Pb(Mn Sb )O3 、Pb(Sb Nb )O3。 -石英、閃鋅礦（ZnS)僅有鐵電性。,

29、BaTiO3 晶體的結(jié)構(gòu),120以上 1205 5-90 -90 以下,（3） BaTiO3鐵電相變,相變溫度：體系中相發(fā)生變化的溫度； 一種材料可以具有多個(gè)相變溫度； 居里溫度（Curie temperature）： 當(dāng)溫度升高時(shí)，鐵電體的自發(fā)極化消失，從鐵電相轉(zhuǎn)變?yōu)榉氰F電相（順電相）的臨界溫度，Tc。 一種材料只有一個(gè)居里溫度； 居里溫度以上，疇消失，原子電距由有序變?yōu)闊o(wú)序； 居里溫度由材料的化學(xué)組份和晶體結(jié)構(gòu)決定；,BaTiO3陶瓷的顯微結(jié)構(gòu),BaTiO3陶瓷是由許多微小的鈦酸鋇晶粒構(gòu)成的集合體； 每個(gè)晶粒內(nèi)部都有自發(fā)極化形成的一個(gè)個(gè)電疇； 晶粒與晶粒之間存在晶界，是陶瓷與單晶的主要區(qū)別

30、； 晶界效應(yīng)：表現(xiàn)出各種不同的半導(dǎo)體特性；,BaTiO3基陶瓷顯微結(jié)構(gòu)示意圖,外電場(chǎng)作用下電疇的變化,BaTiO3陶瓷在外電場(chǎng)E作用時(shí)電疇和外形尺寸的變化 （a） BaTiO3基陶瓷的原始狀態(tài)，各晶粒電疇的總電矩（Ps）為零； （b）加上直流電場(chǎng)E后，各晶粒的自發(fā)計(jì)劃都大致沿電場(chǎng)方向取向，沿電場(chǎng)方向伸長(zhǎng)，與電場(chǎng)垂直方向收縮； （c）去掉電場(chǎng)，各晶粒的自發(fā)計(jì)劃的向量和Ps=Pr，此時(shí)縱向仍有剩余伸長(zhǎng)，橫向仍有剩余收縮。,電滯回線的影響因素,(1)極化溫度對(duì)電滯回線的影響 極化溫度較高時(shí)電疇運(yùn)動(dòng)容易，只需要較低的極化電壓就可使極化強(qiáng)度達(dá)到飽和及轉(zhuǎn)向，因而矯頑場(chǎng)強(qiáng)和飽和場(chǎng)強(qiáng)都小，其電滯回線形狀比較瘦

31、長(zhǎng)； (2)極化時(shí)間和極化電壓對(duì)電滯回線的影響 電疇轉(zhuǎn)向需要一定的時(shí)間，時(shí)間適當(dāng)長(zhǎng)一點(diǎn)，極化就可以充分些，即電疇定向排列完全一些。實(shí)驗(yàn)表明，在相同的電場(chǎng)強(qiáng)度E作用下，極化時(shí)間長(zhǎng)的，具有較高的極化強(qiáng)度，也具有較高的剩余極化強(qiáng)度。 極化電壓對(duì)電疇轉(zhuǎn)向有類似的影響。極化電壓加大，電疇轉(zhuǎn)向程度高，剩余極化強(qiáng)度變大；,電滯回線的影響因素,(3) 晶體結(jié)構(gòu)對(duì)電滯回線的影響 同一種材料，單晶體和多晶體的電滯回線是不同的 單晶體的電滯回線很接近于矩形，Ps和Pr很接近，而且Pr較高； 陶瓷的電滯回線中Ps與Pr相差較多，表明陶瓷多晶體不易成為單疇，即不易定向排列。,BaTiO3的電滯回線,BaTiO3 晶體的

32、介電溫度特性,介電常數(shù)隨溫度的變化是非線性的； BaTiO3 晶體的介電常數(shù)很高； 在a軸方向測(cè)得的數(shù)值遠(yuǎn)高于在c軸方向測(cè)得的數(shù)值：說(shuō)明在電場(chǎng)作用下， BaTiO3 中的離子沿a軸方向具有更大的可動(dòng)性；,在相變溫度附近，介電常數(shù)均具有峰值，在居里溫度Tc下峰值最高，這與相變溫度附近離子具有較大可動(dòng)性，在電場(chǎng)作用下易使晶體中的電疇沿電場(chǎng)方向取向有關(guān)；,BaTiO3陶瓷的介電特性,居里外斯定律,在居里溫度以上（此時(shí)BaTiO3 晶體的自發(fā)極化和電疇結(jié)構(gòu)已經(jīng)消失），隨著溫度的升高，介電常數(shù)隨溫度T的變化服從居里外斯（Curie-weiss）定律： 式中，T0為居里外斯溫度，對(duì)于BaTiO3 ，TcT01011； K為居里常數(shù)，對(duì)于BaTiO3 ，K（1.61.7）105 ； 0為電子極化對(duì)介電常數(shù)的貢