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 第三十讲（铁电体的结构相变）

铁电体铁电体的结构相变

铁电体 铁电体的结构相变

铁电体与相变铁电体的自发极化是由于晶胞的电矩通过偶极一偶极相互作用而产生的有序排列，有序化参数为极化强度P；当温度升高至某个临界温度时，电矩的有序排列被热运动摧毁，自发极化便消失，晶体由低温的贴电相转变为高温的非铁电相（顺电相），这一临界转变温度称为居里温度：晶体由铁电相转变为非铁电相是由于晶体的结构发生改变造成的，因此是一种结构相变

铁电体与相变 ➢ 铁电体的自发极化是由于晶胞的电矩通过偶极— 偶极相互作用而产生的有序排列，有序化参数为 极化强度P； ➢ 当温度升高至某个临界温度时，电矩的有序排列 被热运动摧毁，自发极化便消失，晶体由低温的 贴电相转变为高温的非铁电相（顺电相），这一 临界转变温度称为居里温度； ➢ 晶体由铁电相转变为非铁电相是由于晶体的结构 发生改变造成的，因此是一种结构相变

铁电体与相变在热平衡条件下，系统的稳定状态是自由能最小状态，查布斯自由能：G=U-TS-P.EP为极化强度E为外电场当外电场与自发极化平行时，G减少，系统趋于稳定

铁电体与相变 • 在热平衡条件下，系统的稳定状态是自由能最小状 态，查布斯自由能： G U TS P E   = − −  P  为极化强度 E  为外电场 当外电场与自发极化平行时，G减少，系统趋于稳定

铁电体与相变S=KInWW为热力学几率，当电场与自发极化强度平行时，W减小，摘S减少，G上升，系统趋于不稳定，可见电矩定向究竞是使系统趋于稳定还是不稳定，就看自由能G中TS项与P.E项究竟那一项占优势：低温时，TS不太起作用，自由能随自发极化的产生而下降，铁电态是稳定态：当升温到某个温度时，TS项占优势，热运动使定向电矩从电场束缚下解放出来，自发极化消失，自由能下降，非相性的顺电状态处于稳定态

铁电体与相变 • 熵S=KlnW W为热力学几率，当电场与自发极化强度平行时，W 减小，熵S减少，G上升，系统趋于不稳定，可见电矩定向究竟是 使系统趋于稳定还是不稳定，就看自由能G中TS项与 项究竟 那一项占优势； • 低温时，TS不太起作用，自由能随自发极化的产生而下降，铁电 态是稳定态； • 当升温到某个温度时，TS项占优势，热运动使定向电矩从电场束 缚下解放出来，自发极化消失，自由能下降，非相性的顺电状态 处于稳定态。 P E   

铁电相变按热力学分类>一级相变1st order phase transition在相变点上，序参数P发生不连续变化，自发极化强度Ps突变到零，在相变点上，铁电相与非铁电相两相共存，伴随潜热和热滞现象；nd>二级相变2ndcorder phase transition在相变点TC，序参数P连续，Ps连续下降到零，没有潜热和热滞现象；>扩散相变固定相变点，在相变温区（居里区），自发极化强度Ps在该温区内缓慢而连续下降到零

铁电相变按热力学分类 ➢ 一级相变1 st order phase transition 在相变点上，序参数P发生不连续变化，自发极化强度PS突变到 零，在相变点上，铁电相与非铁电相两相共存，伴随潜热和热 滞现象； ➢ 二级相变2 nd order phase transition 在相变点TC，序参数P连续，PS连续下降到零，没有潜热和热滞 现象； ➢ 扩散相变 固定相变点，在相变温区（居里区），自发极化强度PS在该温 区内缓慢而连续下降到零

铁电相变按热力学分类Ps二级相变一级相变TT.11扩散相变TT

铁电相变按热力学分类 Ps Tc T Ps Tc T Ps Tc T 一级相变 二级相变 扩散相变

铁电相变按热力学分类有些铁电体，除了铁电一顺电相变外，还有铁电一铁电转变立方顺电T>120℃CBaTiO,Tc=120°℃立方顺电一四方铁电四方铁电一正交铁电T = ±5°C正交铁电一三方铁电T =-90°±9°C这种自发极化状态发生变化的温度称转变温度

铁电相变按热力学分类 ➢ 有些铁电体，除了铁电—顺电相变外，还有铁 电—铁电转变 BaTiO3 T＞1200C 立方顺电 TC = 1200C 立方顺电→四方铁电 T C 0 = 5 四方铁电→正交铁电 T C 0 0 = −90  9 正交铁电→三方铁电 这种自发极化状态发生变化的温度称转变温度

铁电相变按热力学分类0a1arajA(a）立方晶系(b）四方晶系(d）三角晶系（c）正交晶系(T>120℃)(T<-80℃)(0<T<120℃)(-80℃<T<0)BaTiO

铁电相变按热力学分类 BaTiO3

铁电相变按热力学分类晶体发生结构相变时，一系列物理性质发生反常变化，晶体的介电性质、弹性、压电、热学和光学性质在相变点和转变点发生强烈的改变，晶体在相变点附近发生的各种反常变化称临界现象：铁电体的临界现象最显著的是介电性能的变化，铁电体的介电常数在居里点T处出现峰值，高于居里点的顺电相区，介电常数与温度的关系：C8.(0)=8.(00) +T-T。低频介电常数光频介电常数

铁电相变按热力学分类 ◆ 晶体发生结构相变时,一系列物理性质发生反常变化，晶 体的介电性质、弹性、压电、热学和光学性质在相变点 和转变点发生强烈的改变，晶体在相变点附近发生的各 种反常变化称临界现象； ◆ 铁电体的临界现象最显著的是介电性能的变化，铁电体 的介电常数在居里点TC处出现峰值，高于居里点的顺电 相区，介电常数与温度的关系： 0 (0) ( ) T T C r r −  =   + 低频介电常数 光频介电常数

铁电相变按热力学分类对铁电体的其他转变温度处，介电性能也会出现类似反常变化，其反常程度比居里点处低，6(）较O）小很多，且与温度无关，故可以忽略C8.(0)T-T。居里定理

铁电相变按热力学分类 ◆ 对铁电体的其他转变温度处，介电性能也会出现类似反 常变化，其反常程度比居里点处低， 较 小很 多，且与温度无关，故可以忽略 () r  (0) r  0 (0) T T C r −  = 居里定理