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 第二十八讲（自发极化与热释电效应）

晶体的自发极化与铁电性质自发极化与热释电效应

晶体的自发极化与铁电性质 自发极化与热释电效应

电介质材料压电材料热释电材料铁电材料压电陶瓷材料

电介质材料 压电材料 热释电材料 铁电材料 压电陶瓷材料

自发极化>许多电介质只有在电场作用才会极化（P≠0）；>某些晶体，晶胞本身正负电荷中心不重合，晶胞具有极性；>由于晶体结构的周期性和重复性，晶胞固有电矩会沿同一方向排列整齐，使晶体处于极化状态下，这种极化状态是在外场为零时自发地建立起来的，称自发极化

自发极化 ➢ 许多电介质只有在电场作用才会极化（Ｐ≠０）； ➢ 某些晶体，晶胞本身正负电荷中心不重合，晶胞具有极 性； ➢ 由于晶体结构的周期性和重复性，晶胞固有电矩会沿同 一方向排列整齐，使晶体处于极化状态下，这种极化状 态是在外场为零时自发地建立起来的，称自发极化

自发极化>自发极化只存在单一极轴的点群中，在21种不存在对称中心的点群中，有10种含有唯一极轴点群1，2，mmm2,3,3m,4,4mm，6,6mmABBaPCubicphasePdownL3DPhysicsofFerroelectricsKarinM,RabeCharlesHAhn,Sprnger,20o7

➢ 自发极化只存在单一极轴的点群中，在21种不存在对 称中心的点群中，有10种含有唯一极轴点群1，2，m， mm2，3，3m，4，4mm ，6，6mm 自发极化 Physics of Ferroelectrics, Karin M. Rabe Charles H. Ahn, Springer, 2007

自发极化自发极化的单晶体是一个永久带温度变化时，晶体的总电矩发生电体，自发极化建立的表面束缚改变，使束缚在表面的自由电荷电荷被外来的表面自由电荷所屏层释放掉，晶体呈现带电状态或蔽，束缚电荷建立的电场被抵消。在闭合电路中产生电流，这一现象称热释电效应。自由电荷+束缚电荷十十十十十十十十十十十十十十十十十十

➢ 自发极化的单晶体是一个永久带 电体，自发极化建立的表面束缚 电荷被外来的表面自由电荷所屏 蔽，束缚电荷建立的电场被抵消。 自发极化 ++++++++++ ++++++++++ - - 自由电荷 束 缚 电 荷 ++++++++++ ++++++++++ - - - + ➢ 温度变化时，晶体的总电矩发生 改变，使束缚在表面的自由电荷 层释放掉，晶体呈现带电状态或 在闭合电路中产生电流，这一现 象称热释电效应

热释电效应具有自发极化的晶体称热释电晶体。应力也会改变离子间的距离键角，使晶体自发极化强度改变，热释电晶体总是压电体。测试方法X-YRacorder

热释电效应 • 具有自发极化的晶体称热释电晶体。 • 应力也会改变离子间的距离键角，使晶体自发极化强 度改变，热释电晶体总是压电体。 测试方法

热释电效应，当晶体的温度T均匀变化时，晶体的自发极化强度矢量P随之变化dP,= P,dT，P是热释电系数，是一个矢量，大多数晶体的自发极化随温度增加而下降。热释电系数为负值，温度升高，热运动倾向于于扰晶体中电矩的有序取向，使固有极化强度减小

• 当晶体的温度Ｔ均匀变化时，晶体的自发极化强度矢 量Pi随之变化 热释电效应 dPi = Pi dT • Pi是热释电系数，是一个矢量，大多数晶体的自发极 化随温度增加而下降。 • 热释电系数为负值，温度升高，热运动倾向于干扰晶 体中电矩的有序取向，使固有极化强度减小

一些材料的热释电系数材料Ppc(10-6Cm-2K-1)px (10-6Cm-2K-1)Px(10-6Cm-2K-1)CdS (6mm)-4.0-2.97-0.13CdSe (6mm)-3.5-2.94-0.67-9.4-6.9ZnO (6mm)-0.35+60LiS04H,0(2)+86.3-176-175-161LiTaO,(3m)-92-100-116Pb:Ge:011(3)电气石（3m）+4.0+0.48-500-470-600Sro.5Bao.5Nb20(4mm)

材料 P X(10-6Cm-2K -1) P x(10-6Cm-2K -1) P pc(10-6Cm-2K -1) CdS(6mm) CdSe(6mm) ZnO(6mm) LiSO4 H2O(2) LiTaO3(3m) Pb3Ge3O11(3) 电气石(3m) Sr0.5Ba0.5Nb2O6(4mm) -4.0 -3.5 -9.4 +86.3 -176 -100 +4.0 -600 -2.97 -2.94 -6.9 +60 -175 -116 +0.48 -500 -0.13 -0.67 -0.35 -161 -92 -470 一些材料的热释电系数

热释电效应dP,=P(dT+P(2)dT?+P(3)dT3+..[p() +P(2)dT+Pp(3)dT?+...JdTP,= P() + P(2)dT + P(3)dT? +..热释电效应实质上是热一电耦合方程。与压电效应相似，在电学量D、E和热学量T、S中，选E和T作自变量，可列出热电线性耦合方程。等温介电常数D, =STE, + PAT热电线性耦合效应电场直接极化效应

➢ 热释电效应实质上是热—电耦合方程。与压电效应相似，在电学 量D、E和热学量T、S中，选E和T作自变量，可列出热电线性耦合 方程。 热释电效应      = + + + = + + + = + + + (1) (2) (3) 2 (1) (2) (3) 2 (1) (2) 2 (3) 3 P P P dT P dT P P dT P dT dT dP P dT P dT P dT i i i i i i i i i i i D Ej Pi T T i =  ij +  电场直接极化效应 等温介电常数 热电线性耦合效应

热释电效应恒电场下热容逆热释电系数OEAS= PE, +ATT热直接效应逆热释电效应D=TE+PAT矩阵形式CEATAS= PE+T

热释电效应 T T C S PE E  = i i +  逆热释电效应 热直接效应 逆热释电系数 恒电场下热容 D E P T T =  +  T C T S P E E i   = + 矩阵形式