《无机材料物理性能》第六章 介电性能（6.5）铁电性与压电性

65铁电性与压电性 65.1概述 介电体 压电体 热释电体 铁电体

6.5 铁电性与压电性 铁电体 热释电体 压电体 介电体 6.5.1 概述

晶体的介电性:电场作用引起电介质产生极化的现象P=(e1-EE Eo(8rD)E 正压电效应:电介质材料在小外力作用下,在某些相对应的表面上 产生等量异号电荷,由形变产生电极化。P=da(不具有对称中心 的晶体)(水晶、罗息盐、闪锌矿) 逆压电效应:S=dE 电致伸缩效应:电介质在大外力作用下,需考虑非线性项。S=vE2 热释电效应:在热平衡条件下,电介质因自发极化要产生表面束缚 电荷,这种电荷被来自空气中附集于电介质表面上的自由电荷所补 偿,其电不能显现出来,,当温度发生变化,由温度变化引起电介 质的极化状态的改变不能及时被来自电介质表面上的自由电荷所补 偿,使电介质对外显电性。△P→p△T(具有自发极化的晶体) 铁电性:在一定温度范围内具有自发极化,在外电场作用下,自发 极化能重新取向,电位移矢量与电场强度间的关系呈电滞回线特征。 (具有自发极化的晶体)

晶体的介电性：电场作用引起电介质产生极化的现象. P= (1－ o )E = o ( r - 1) E 正压电效应：电介质材料在小外力作用下，在某些相对应的表面上 产生等量异号电荷，由形变产生电极化。P=d （不具有对称中心 的晶体）（水晶、罗息盐、闪锌矿） 逆压电效应：S=dtE 电致伸缩效应：电介质在大外力作用下，需考虑非线性项。S=vE2 热释电效应：在热平衡条件下，电介质因自发极化要产生表面束缚 电荷，这种电荷被来自空气中附集于电介质表面上的自由电荷所补 偿，其电不能显现出来，，当温度发生变化，由温度变化引起电介 质的极化状态的改变不能及时被来自电介质表面上的自由电荷所补 偿，使电介质对外显电性。Ps=p T（具有自发极化的晶体） 铁电性：在一定温度范围内具有自发极化，在外电场作用下，自发 极化能重新取向，电位移矢量与电场强度间的关系呈电滞回线特征。 （具有自发极化的晶体）

652自发极化 (1)不具有自发极化特性, 但为不对称中心结构,在 外力的作用下,产生极化 加应力产生极化, 加应力不产 未加应力 正负电荷中心分开生极化

6.5.2 自发极化 + + - + - - + + - + - - - - - + + + ± 未加应力 加应力不产 生极化 加应力产生极化， 正负电荷中心分开 (1) 不具有自发极化特性， 但为不对称中心结构，在 外力的作用下，产生极化

(2)含有对称中心的结构 结构含有正负离子 未加应力加应力正负电荷中心不分开,不产生极化

+ + - - - - + + 未加应力 加应力正负电荷中心不分开，不产生极化 结构含有正负离子 (2) 含有对称中心的结构 ±

(3)无对称中心,且本身具有自发极化特性的结构 例1:具有极性轴或结构本身具有自发极化的结构 正电荷层 极与 化负 + 电 固有偶极子 轴 荷 层 交 替 排 列 纤锌矿(ZnS)结构在(010)上投影 表示晶体极性链 的两种方法

(3) 无对称中心，且本身具有自发极化特性的结构 - - + + - -+ - + + - - + + + + + - - + + + 极 化 轴 C - + + - - + 纤锌矿(ZnS)结构在（010）上投影 表示晶体极性链 的两种方法 例1：具有极性轴或结构本身具有自发极化的结构 - + - + 固 有 偶 极 子 正 电 荷 层 与 负 电 荷 层 交 替 排 列 - + - + - + - +

例2:由热运动引起的自发极化 铁电体的位移性理论: 自发极化主要是由晶体中某些离子偏离了平衡位置, 使单位晶胞中出现了偶极矩,偶极矩之间的相互作用 使偏离平衡位置的离子在新的位置上稳定下来,同时 晶体结构发生了畸变 钛酸钡的结构:钙钛矿型结构

例2：由热运动引起的自发极化 铁电体的位移性理论： 自发极化主要是由晶体中某些离子偏离了平衡位置， 使单位晶胞中出现了偶极矩，偶极矩之间的相互作用 使偏离平衡位置的离子在新的位置上稳定下来，同时 晶体结构发生了畸变。 钛酸钡的结构：钙钛矿型结构 • • • • • • • •     • ° °

等轴晶系(大于120C): 晶胞常数:a=401A 氧离子的半径:132A 钛离子的半径:0.64 钛离子处于氧八面体中, 两个氧离子间的空隙为:4.01-2×132=137 钛离子的直径:2×064=1。28

等轴晶系（大于120oC） ： 晶胞常数：a=4.01A 氧离子的半径：1.32A 钛离子的半径： 0.64 钛离子处于氧八面体中， 两个氧离子间的空隙为：4.01－2× 1.32= 1.37 钛离子的直径：2× 0.64= 1。28

结果: 氧八面体空腔体积大于钛离子体积,给钛离子位移的 余地 较高温度时,热振动能比较大,钛离子难于在偏离中 心的某一个位置上固定下来,接近六个氧离子的几率 相等,晶体保持高的对称性,自发极化为零。 温度降低,钛离子平均热振动能降低,因热涨落,热 振动能特别低的离子占很大比例,其能量不足以克服 氧离子电场作用,有可能向某一个氧离子靠近,在新 平衡位置上固定下来,并使这一氧离子出现强烈极化 发生自发极化,使晶体顺着这个方向延长,晶胞发生 轻微畸变,由立方变为四方晶体

结果： 氧八面体空腔体积大于钛离子体积，给钛离子位移的 余地。 较高温度时，热振动能比较大，钛离子难于在偏离中 心的某一个位置上固定下来，接近六个氧离子的几率 相等，晶体保持高的对称性，自发极化为零。 温度降低，钛离子平均热振动能降低，因热涨落，热 振动能特别低的离子占很大比例，其能量不足以克服 氧离子电场作用，有可能向某一个氧离子靠近，在新 平衡位置上固定下来，并使这一氧离子出现强烈极化， 发生自发极化，使晶体顺着这个方向延长，晶胞发生 轻微畸变，由立方变为四方晶体

固有偶极子 钛、氧离子的位移 自发极化:这种极化状态并非由外电场引起,而是由 晶体的内部结构引起。在这类晶体中,每一个晶胞内 存在有固有电矩,通常将这类晶体称为极性晶体。 般介电极化,是介质在外电场作用下引起,没有外 电场,这些介质的极化强度为0

• • • • • • • •     • ° ° 钛、氧离子的位移 固 有 偶 极 子 自发极化：这种极化状态并非由外电场引起，而是由 晶体的内部结构引起。在这类晶体中，每一个晶胞内 存在有固有电矩，通常将这类晶体称为极性晶体。 一般介电极化，是介质在外电场作用下引起，没有外 电场，这些介质的极化强度为0

电畴的形成:许多固有电偶极矩产生自发平行排列 形成一个畴

电畴的形成：许多固有电偶极矩产生自发平行排列 形成一个畴