1、LOGO铁电材料铁电材料无机无机092 高玢高玢 具有自发极化，且自发极化能够为外电场所转向的具有自发极化，且自发极化能够为外电场所转向的一类材料，称为一类材料，称为铁电材料铁电材料。铁电材料铁电材料 ferroelectric materials铁电材料铁电材料：在具有压电效应的材料中在具有压电效应的材料中 ,具有自发极化具有自发极化 ,自发极化包括二部分：一部分来源于离子直接位移；自发极化包括二部分：一部分来源于离子直接位移； 另一部分是由于电子云的形另一部分是由于电子云的形变。变。而且其自发极化强度而且其自发极化强度可以因外电场反向而反向可以因外电场反向而反向 ,或者在电场作用下不可反向
2、或者在电场作用下不可反向但可以重取向的晶体但可以重取向的晶体 。铁电体中的自发极化有两个或。铁电体中的自发极化有两个或多个可能的取向。所有铁电体都可以通过人工极化使多个可能的取向。所有铁电体都可以通过人工极化使其具有压电性其具有压电性 ,但具有压电性的并不一定都是铁电体。但具有压电性的并不一定都是铁电体。铁电体的定义v铁电体的定义：指在温度范围内具有自发极化且极化强度可以因外电场而反向的晶体。v铁电体具有很多电畴且具有电滞回线。因此，凡具有电畴和电滞回线的介电材料就称为铁电体。v铁电体的晶体并不含有铁，铁电体常被称为息格毁特晶体。Company Logo铁电体的主要特征值铁电体的主要特征值电电
3、 畴畴2. 电滞回线电滞回线3. 居里温度居里温度4. 介电反常介电反常5.自发极化自发极化1.自自 发发 极极 化化v 在没有外电场作用时，晶体中存在着由于电偶极子的有序排列而产生的极化，称为自发极化。1 1、 电畴电畴 ferroelectric domain铁电体内自发极化相同的小区域称为铁电体内自发极化相同的小区域称为电畴电畴，10m10m；电畴与电畴之间的交界称为电畴与电畴之间的交界称为畴壁畴壁两种：两种：9090畴壁和畴壁和180180畴壁畴壁 电滞曲线是极化强度P滞后于电场强度E的曲线。 即当施加电场E，极化强度P随E增加沿曲线上升，至某点后P随E的变化呈线性。E下降时，P不随原
4、曲线下降。当E为0时，极化强度不为0。为Pr，称剩余极化强度。只有加上反电场Ec时P为0。Ec为矫顽电场强度。 Ps为饱和极化强度居居 里里 温温 度度v居里温度居里温度Tc是铁电相与顺电相的相转变温度，是铁电相与顺电相的相转变温度，当当TTc时，铁电现象消失，处于顺电相。当时，铁电现象消失，处于顺电相。当TTc时，铁电体处于铁电相，当时，铁电体处于铁电相，当T=Tc时发生时发生相变。铁电相是极化有序状态，顺电相则是极相变。铁电相是极化有序状态，顺电相则是极化无序状态。而化无序状态。而Tc称为居里点。称为居里点。介介 电电 反反 常常v 在弱电场作用下铁电体的介电性能在弱电场作用下铁电体的介电
5、性能可用各向异性介电常数可用各向异性介电常数来描述。来描述。可可分为两个部分：其中一部分由各个畴分为两个部分：其中一部分由各个畴的介电性能提供，这部分直到远红外的介电性能提供，这部分直到远红外频率都不依赖于外电场的强度和频率频率都不依赖于外电场的强度和频率。另一部分与外电场作用下电畴结构。另一部分与外电场作用下电畴结构的变化有关，它强烈地依赖于电场强的变化有关，它强烈地依赖于电场强度、频率和晶体的温度，而且与加外度、频率和晶体的温度，而且与加外电场时电畴的原始结构有关。对于单电场时电畴的原始结构有关。对于单轴铁电单晶体例如轴铁电单晶体例如RS和和KH2PO4，在垂直于铁电轴方向的介电常数在垂直
6、于铁电轴方向的介电常数随温随温度的变化并不十分显著；平行于铁电度的变化并不十分显著；平行于铁电轴方向的介电常数轴方向的介电常数则随温度变化很大则随温度变化很大，在居里点附近其相对值可迅速增大，在居里点附近其相对值可迅速增大至至104105数量级；这种现象称为数量级；这种现象称为介电反常介电反常。晶晶 体体 结结 构构v 现在发现，具有铁电性的晶体很多，但概括起来可以分现在发现，具有铁电性的晶体很多，但概括起来可以分为两大类：为两大类： v a.一类以磷酸二氢钾一类以磷酸二氢钾 KH2PO4 -简称简称KDP-为代表为代表，具有氢键，他们从顺电相过渡到铁电像是无序到有序，具有氢键，他们从顺电相过
7、渡到铁电像是无序到有序的相变。以的相变。以KDP为代表的氢键型铁晶体管，中子绕射为代表的氢键型铁晶体管，中子绕射的数据显示，在居里温度以上，质子沿氢键的分布是成的数据显示，在居里温度以上，质子沿氢键的分布是成对称沿展的形状。在低于居里温度时，质子的分布较集对称沿展的形状。在低于居里温度时，质子的分布较集中且不对称于邻近的离子，质子会较靠近氢键的一端。中且不对称于邻近的离子，质子会较靠近氢键的一端。 b.另一类则以钛酸钡为代表，从顺电相到铁电相的过渡另一类则以钛酸钡为代表，从顺电相到铁电相的过渡是由于其中两个子晶格发生相对位移。对于以为代表的是由于其中两个子晶格发生相对位移。对于以为代表的钙钛矿
8、型铁电体，绕射实验证明，自发极化的出现是由钙钛矿型铁电体，绕射实验证明，自发极化的出现是由于正离子的子晶格与负离子的子晶格发生相对位移。于正离子的子晶格与负离子的子晶格发生相对位移。ABO3型钙钛矿晶胞结构型钙钛矿晶胞结构铁电材料的分类n（1）结晶化学分类）结晶化学分类n含有氢键的晶体：磷酸二氢钾（KDP）、三甘氨酸硫酸盐（TGS）、罗息盐（RS）等。这类晶体通常是从水溶液中生长出来的，故常被称为水溶性铁电体，又叫软铁电体； n双氧化物晶体：如BaTiO3（BaO-TiO2）、KNbO3（K2O-Nb2O5）、LiNbO3 （Li2O-Nb2O5）等，这类晶体是从高温熔体或熔盐中生长出来的，又
9、称为硬铁电体它们可以归结为ABO3型，Ba2+，K+、Na+离子处于A位置，而Ti4+、Nb6+、Ta6+离子则处于B位置。 n（2）按极化轴多少分类）按极化轴多少分类n沿一个晶轴方向极化的铁电体：罗息盐（RS）、KDP等； n沿几个晶轴方向极化的铁电晶体：BaTiO3、Cd2Nb2O7等。 n（3）按照在非铁电相时有无对称中心分类）按照在非铁电相时有无对称中心分类n非铁电相无对称中心：钽铌酸钾（KTN）和磷酸二氢钾（KDP）族的晶体。由于无对称中心的晶体一般是压电晶体，故它们都是具有压电效应的晶体； n非铁电相时有对称中心：不具有压电效应，如BaTiO3、TGS（硫酸三甘肽）以及与它们具有相
10、同类型的晶体。 n（4）按相转变的微观机构分类）按相转变的微观机构分类n（5）维度模型维度模型分类法分类法Company Logo铁电材料的历史发展和现状铁电材料的历史发展和现状铁电软膜理论铁电软膜理论热力学理论热力学理论发现铁电性发现铁电性铁电薄膜及器件铁电薄膜及器件钙钛矿时期钙钛矿时期KDP时期时期罗息盐的发现罗息盐的发现 小型小型化化铁电材料的制备方法n1 固相反应法n2 溶胶-凝胶法n3 熔盐法n4 喷雾分解法n5 柠檬酸前驱法n6 水热法n7 无卤素法n8 低温液相法铁电材料的应用铁电材料的应用铁电存储器铁电存储器(FRAM) 铁电存储器（FRAM）产品将ROM的非易失性数据存储特性
11、和RAM的无限次读写、高速读写以及低功耗等优势结合在一起。FRAM产品包括各种接口和多种密度像工业标准的串行和并行接口，工业标准的封装类型，以及4Kbit、16Kbit、64Kbit、256Kbit和1Mbit等密度。 非易失性记忆体掉电后数据不丢失。可是所有的非易失性记忆体均源自ROM技术。你能想象到,只读记忆体的数据是不可能修改的。所有以它为基础发展起来的非易失性记忆体都很难写入，而且写入速度慢，它们包括EPROM（现在基本已经淘汰）,EEPROM和Flash，它们存在写入数据时需要的时间长，擦写次数低,写数据功耗大等缺点。 FeRAM器件结构器件结构铁电存储器（MFSFET）nMFS(M
12、etal Ferroelectric Semiconductor )FETn在在MOS中用铁电薄膜（中用铁电薄膜（F）代替二氧化硅栅氧化物薄代替二氧化硅栅氧化物薄膜（膜（O）构成）构成MFSFET场场效应管效应管n由于极化滞后，漏电流展由于极化滞后，漏电流展现两种状态：开，关现两种状态：开，关n读写过程不需要大电场，读写过程不需要大电场，在读后也不需重写。设计在读后也不需重写。设计简单。简单。压电陶瓷压电陶瓷声马达是压电陶瓷应用中一个声马达是压电陶瓷应用中一个引人注目的新领域引人注目的新领域,它是利用压它是利用压电陶瓷的逆压电效应电陶瓷的逆压电效应,直接把电直接把电能转换成机械能输出而无需电能转换成机械能输出而无需电磁线圈的新型电机，与普通电磁线圈的新型电机，与普通电磁马达相比，它具有结构简单磁马达相比，它具有结构简单、启动快、体积小、功耗低等、启动快、体积小、功耗低等特点。另外，由于它是从电能特点。另外，由于它是从电能直接转换为机械能而不通过磁直接转换为机械能而不通过磁电转换，因此，不产生磁干扰电转换，因此，不产生磁干扰也不怕磁干扰。也不怕磁干扰。热敏电阻（热敏电阻（PTC）
