西安交通大学：《电介质物理》课程教学课件（PPT讲稿）第六章 晶体的自发极化与铁电性质 第二十九讲（铁电体与电畴）

晶体的自发极化与铁电性质铁电体与电畴

晶体的自发极化与铁电性质 铁电体与电畴

热释电体与铁电体》热释电体有自发极化强度，即每个晶胞都具有大小相等的非零电偶极矩，自发极化只能出现在晶体的某几个特定晶向上的一个方向上，热释电体的自发极化强度很高，处于极度极化状态，外电场即使是击穿电场，很难使热释电体自发极化沿着空间的任意方向定向，但有少数热释电体，其自发极化强度量在外电场作用下由原来取向转变到其它能量较低的方向，这种热释电体称铁电体。铁电体的微观结构决定了有许多特殊的宏观性质，从而区别于普通电介质，在32种点群中，不具对称中心的20种点群有压电性，在压电晶体中，具有唯一单轴的晶体（10种点群才有热释电性，具有自发极化，若自发极化量在电场作用下重新取同，就是铁电晶体，具有铁电性的晶体，必定有热释电性和压电性，有热释电性的晶体，必定有压电性，却不一定有铁电性。铁电体是热释电体一个亚族，热释电体是压电体的一个亚族

热释电体与铁电体 ➢ 热释电体有自发极化强度，即每个晶胞都具有大小相等的非零电 偶极矩，自发极化只能出现在晶体的某几个特定晶向上的一个方 向上，热释电体的自发极化强度很高，处于极度极化状态，外电 场即使是击穿电场，很难使热释电体自发极化沿着空间的任意方 向定向，但有少数热释电体，其自发极化强度矢量在外电场作用 下由原来取向转变到其它能量较低的方向，这种热释电体称铁电 体。 ➢ 铁电体的微观结构决定了有许多特殊的宏观性质，从而区别于 普通电介质，在３２种点群中，不具对称中心的２０种点群， 有压电性，在压电晶体中，具有唯一单轴的晶体（１０种点群） 才有热释电性，具有自发极化，若自发极化矢量在电场作用下 重新取向，就是铁电晶体，具有铁电性的晶体，必定有热释电 性和压电性，有热释电性的晶体，必定有压电性，却不一定有 铁电性。 铁电体是热释电体一个亚族，热释电体是压电体的一个亚族

电畴结构铁电体晶胞中的电矩自发出现有若于可能取向，这样对铁电单晶或铁电陶瓷晶粒中出现许多微小的区域，每个区域中所有晶胞的电矩取向相同而相邻区域电矩取向不同，这些取向各异的自发极化建立的退极化电场抵消，直到整个晶体内、外不呈现宏观电场。这种因自发极化方向相同的晶胞所组成的小区域称电畴，分隔相邻电畴的界面称畴壁[001][010](b)罗息盐的电畴(a)单畴晶体对称性属点群2(b）多畴晶体,对称性属点群222,畴壁沿(010)和(001)面铁电体中电畴是不能在空间任意取向，只能沿晶体的某几个特定晶向取可，电畴所能充许的晶向取决于该种铁电体原型结构的对称性，即在铁电体的原型结构中与铁电体极化轴等效的轴向

电畴结构 ➢ 铁电体晶胞中的电矩自发出现有若干可能取向，这样对铁电单晶或铁电 陶瓷晶粒中出现许多微小的区域，每个区域中所有晶胞的电矩取向相同， 而相邻区域电矩取向不同，这些取向各异的自发极化建立的退极化电场 抵消，直到整个晶体内、外不呈现宏观电场。这种因自发极化方向相同 的晶胞所组成的小区域称电畴，分隔相邻电畴的界面称畴壁 ➢ 铁电体中电畴是不能在空间任意取向，只能沿晶体的某几个特定 晶向取 向，电畴所能允许的晶向取决于该种铁电体原型结构的对称性，即在铁 电体的原型结构中与铁电体极化轴等效的轴向。 罗息盐的电畴(a) 单畴晶体,对称性属点群2 (b) 多畴晶体,对称性属点群222,畴壁沿(010)和(001)面

电畴结构180°畴壁和90°畴壁Domain structure isformed byc-domain wedges in preferentially000.020:010.030.010.020.030-0a-domainmaterialSurface potentialTopographyDomain structure isformed bya-domainwedgesinpreferentially10.91.00.028-0c-domain materialTopographySurface potential

电畴结构 180畴壁和90畴壁

电畴结构自发极化有六个可能的取向：平行或反平行原型相的三个立方轴之一:[100],[100],[010],[0 10],[001],[001]室温下BaTiO晶体的电畴共有两大类：自发极化方向反平行的180°电畴和互相垂直的90°电畴，由于四方铁电晶体极化轴为C轴，晶胞沿C轴方向伸长约1%，而在垂直C轴的a轴方向收缩，约为1.01，当温度下降到5C晶胞结构变为正交对称，仍为铁电相，但电矩转变到相应于原型相[0111方向或与此等效的共12个等效方向之一的取向，相邻电畴自发极化强度有60和120畴壁，当温度再降到-80C附近，晶胞结构变为三方对称，自发电矩相应于原型相的1111等八个等效方向之一取向，相邻电畴自发极化有71和109畴壁，随着铁电体自发极化的建立，晶体将沿自发极化的方向伸长，因为电致伸缩是所有介质中都普遍存在的效应，并在垂直于自发极化方向收缩，这种在没有外应力存在时出现的应变称自发应变，自发应变的存在，使90畴壁两侧的自发极化方向不严格正交，实测约为88°30°

电畴结构 ➢ 自发极化有六个可能的取向：平行或反平行原型相的三个立方轴之 一: 室温下BaTiO3晶体的电畴共有两大类：自发极化方向反平行的180o电畴和互相垂直的 90o电畴，由于四方铁电晶体极化轴为C轴，晶胞沿C轴方向伸长约1%，而在垂直C轴 的a轴方向收缩，约为1.01，当温度下降到5 oC晶胞结构变为正交对称，仍为铁电相， 但电矩转变到相应于原型相[011]方向或与此等效的共12个等效方向之一的取向，相邻 电畴自发极化强度有60o和120o畴壁，当温度再降到-80oC附近，晶胞结构变为三方对 称，自发电矩相应于原型相的[111]等八个等效方向之一取向，相邻电畴自发极化有 71o和109o畴壁，随着铁电体自发极化的建立，晶体将沿自发极化的方向伸长，因为电 致伸缩是所有介质中都普遍存在的效应，并在垂直于自发极化方向收缩，这种在没有 外应力存在时出现的应变称自发应变，自发应变的存在，使90o畴壁两侧的自发极化方 向不严格正交，实测约为88o30’。 [100],[100],[010],[010],[001],[001]

电畴结构钛酸钡畴结构Domain structure is formed byleft:al-a2 structurenight: c+-c-in the bulk withsurface a-creconstructionSurfacepotentialTopographyPolarized light optical micrograph0.withcombinedtransmission andTopographySurfacepotentialreflectionlightsource

电畴结构 • 钛酸钡畴结构

电畴结构·钛酸钡畴结构21010[001]方向110011mm

电畴结构 • 钛酸钡畴结构 [001]方向

电畴结构一般宏观大小的铁电晶体，由于各种电畴的电矩取向不同而互相抵消，尽可能地把电矩完全抵消更有利于降低晶体的总能量而成为更稳定的状态，因此，自然冷却形成的铁电晶体的宏观极化强度通常等于零，而萍火冷却的铁电晶体宏观极化不一定为零。电介质晶体的晶胞自发极化而出现电矩时，相邻晶胞的电矩可同向排列而出现铁电性，在自发极化出现之前的非极性晶体称具有顺电性的晶体，当铁电晶体的温度逐渐升高时将经历不同的结构相变，直到铁电性完全消失。铁电性完全消失的最后转变温度Tc称铁电居里温度，当温度升高或降低使晶体发生相变时，高温相的对称性一般比低温相的对称性高，铁电晶体被加热至晶体熔融前，所能达到的对称性最高的相称原型相。BaTiO，的原型相为ABO，钙钛矿结构，属于立方对称，这时高温下立方对称的非铁电相为顺电相，当温度升至120C，BaTiO，转变为铁电性，属四方对称

电畴结构 ➢ 一般宏观大小的铁电晶体，由于各种电畴的电矩取向不同而互相抵消， 尽可能地把电矩完全抵消更有利于降低晶体的总能量而成为更稳定的状 态，因此，自然冷却形成的铁电晶体的宏观极化强度通常等于零，而淬 火冷却的铁电晶体宏观极化不一定为零。 ➢ 电介质晶体的晶胞自发极化而出现电矩时，相邻晶胞的电矩可同向排列而 出现铁电性，在自发极化出现之前的非极性晶体称具有顺电性的晶体，当 铁电晶体的温度逐渐升高时将经历不同的结构相变，直到铁电性完全消失。 铁电性完全消失的最后转变温度Tc称铁电居里温度，当温度升高或降低使 晶体发生相变时，高温相的对称性一般比低温相的对称性高，铁电晶体被 加热至晶体熔融前，所能达到的对称性最高的相称原型相。BaTiO3的原型 相为ABO3钙钛矿结构，属于立方对称，这时高温下立方对称的非铁电相为 顺电相，当温度升至120oC， BaTiO3转变为铁电性，属四方对称

电畴结构电畴的形成是系统自由能取极小值的结果电畴壁内部情况复杂，电畴壁很薄，约几个晶胞厚度，BaTiO晶体的180°畴壁大约只有5—20A，约1—5个晶胞厚，90°畴壁要发生反常应变，约50100A，相当于10一20个晶胞厚度，畴壁能的主要贡献来自相邻电畴的静电相互作用和弹性应变能。相邻电畴的自发极化天量往往首尾相连，以保持畴壁界面上自发极化强度失量的连续性，否则在畴壁上便有自由电荷积累。畴结构取决于一系列复杂因素：例如晶体对称性，晶体中杂质和缺陷，晶体的电导率，晶体的弹性和自发极化以及在制备过程中热处理，机加工，样品几何形状等

电畴结构 ➢ 电畴的形成是系统自由能取极小值的结果 ➢ 电畴壁内部情况复杂，电畴壁很薄，约几个晶胞厚度，BaTiO3晶体的 180o畴壁大约只有5—20Å，约1—5个晶胞厚，90o畴壁要发生反常应变， 约50—100Å，相当于10—20个晶胞厚度，畴壁能的主要贡献来自相邻电 畴的静电相互作用和弹性应变能。 ➢ 相邻电畴的自发极化矢量往往首尾相连，以保持畴壁界面上自发极化强 度矢量的连续性，否则在畴壁上便有自由电荷积累。 ➢ 畴结构取决于一系列复杂因素：例如晶体对称性，晶体中杂质和缺陷， 晶体的电导率，晶体的弹性和自发极化以及在制备过程中热处理，机加 工，样品几何形状等

电畴的反转》铁电体的自发极化在外电场作用下反转时，晶体的电畴也要发生相应的改变，电畴结构在外场作用下发生改变的过程称畴运动。AC(a)(b)川(c)(d)(a）反向畴成核（b)&（c）纵向长大（d)）横向扩张把电场沿着BaTiO晶体的自发极化轴，与电场方向一致的电畴不是通过其畴壁的侧向移动来栖性反向畴的代价进行扩张，而是在反向畴内部沿着试样的边缘靠近电极处生长出许多极性方向与电场方向一致的尖劈状新畴，新畴成核后便在电场作用下向前推进，穿透整个试样，电场增强时，新畴不断出现，不断向前发展，波及整个反向畴，最终便把这种反向畴变成与外场方向一致，并与相邻的同相畴结合为一个体积更大的同相畴

电畴的反转 ➢ 铁电体的自发极化在外电场作用下反转时，晶体的电畴也要发生相应的 改变，电畴结构在外场作用下发生改变的过程称畴运动。 ➢ 把电场沿着BaTiO3晶体的自发极化轴，与电场方向一致的电畴不是通过其畴壁 的侧向移动来牺牲反向畴的代价进行扩张，而是在反向畴内部沿着试样的边缘 靠近电极处生长出许多极性方向与电场方向一致的尖劈状新畴，新畴成核后便 在电场作用下向前推进，穿透整个试样，电场增强时，新畴不断出现，不断向 前发展，波及整个反向畴，最终便把这种反向畴变成与外场方向一致，并与相 邻的同相畴结合为一个体积更大的同相畴。 (a)反向畴成核(b)& (c)纵向长大(d)横向扩张