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鐵電材料介紹

更新時間:2021-01-20      點擊次數:3632

鐵電材料是一種非常重要的電介質材料,不僅具有較高的介電常數,還有顯著的熱釋電效應和壓電效應,因此也被廣泛應用于從日常生活到多個技術領域。在有限溫度下,鐵電材料具有自發(fā)極化,并且自發(fā)極化的取向可能有兩個或多個,其取向還會隨著電場作用而發(fā)生改變。極化交互作用還會使得長程序與熱漲落(溫度 T)兩者發(fā)生競爭關系,一旦前者比后者強度高,就會發(fā)生順電-鐵電相變,反之亦然[1-6]。由于極化屬于一種極性矢量,而產生的自發(fā)極化會在晶體中形成*的方向,這時每個晶胞中的原子就會沿著該方向產生相對位移,使得正、負電荷中心不重合,從而形成電偶極矩。晶體一般只在一定的溫度范圍內具有鐵電性,一旦當溫度超過某一設定值,就會經歷從鐵電相 (ferroelectric phase) 到順電相(paraelectric phase) 的結構相變,自發(fā)極化也會隨之消失,這一轉變溫度被稱為居里溫度 (TC)。當溫度高于居里溫度,晶體是非極性結構,也稱作順電結構。

當鐵電晶體發(fā)生自發(fā)極化現象時,由其正負兩端的束縛電荷產生的退極化場與極化取向相反,這時晶體內部的靜電能將會變大。當鐵電晶體被束縛時,應變能還將因為自發(fā)極化產生的自發(fā)應變而增加。因此,就算極化均勻,其狀態(tài)也是不穩(wěn)定的,晶體還將自發(fā)分成小區(qū)域,這些小區(qū)域被稱為―疇‖。雖然各個疇的極化方向不一致,但疇內部的電偶極子取向卻相同。對于多晶而言,其電疇取向沒有任何規(guī)律可循,因為它的晶粒的取向是任意的;如果是單晶,則不一致的電疇自發(fā)極化取向間還存在著簡單的關系。就鐵電體晶體整體來說,在沒有電場作用之前,極化狀態(tài)也將不會對外呈現出來。

施加外電場后,電疇在電場作用下的運動,可以用電滯回線來描述,如圖 1.1 所示。當施加的電場從 0 慢慢變大時,鐵電疇成核并長大,再有疇壁運動,導*化發(fā)生翻轉。在電場較弱的情況下,占主導地位的將會是可逆的疇壁運動。當電場強度變大時,成核的新疇出現,這時疇壁運動是不可逆的,線性段跟隨 E 的上升趨勢比極化強度要慢。當電場強度大到一定的值時(B 點),極化強度趨于飽和,而此時的晶體也變成單疇。此時電場強度值若再變大,總的極化強度仍會因為感應極化的增加而有所增大。如果從飽和狀態(tài)后又逐漸減弱電場強度,極化強度也將慢慢下降(沿 C→B→D 曲線減少),還使得晶體在電場強度值為零 時的極化強度仍然很大。線段 OD 被稱之為剩余極化 Pr (remanent polarization)。線段 CB 的延長線與極化縱軸交于點 E,則此時的線段 OE 表示為自發(fā)極化 PS。如果外加電場為反向,電偶極矩翻轉。用 D→F→I 的曲線變化來描述 P-E 特性曲線,當電場強度值為 EC(EC,矯頑電場強度 (coercive field) )時,極化強度為零。F→I 段曲線為電疇的反向定向區(qū),當電場強度值到達 I 點時,極化強度又趨于飽和,再逐漸增大反向電場時,線段 IG 與線段 CB 情況類似,感應極化強度增加,而曲線斜率也將減小。若逐漸減小反向電場,P-E 特性曲線會沿著G→I→H→C 曲線返回,由此行成一個閉合的回線。由上分析得知,電場 E 在正、負飽和值之間循環(huán)一圈后,P-E 之間的關系就如曲線 CBDFIGHC 所示,這和鐵磁材料的磁滯回線非常類似。

并不是每個晶體的介電常數都是常數,如鐵電體,由于極化屬于非線性的,因此,其介電常數通常用斜率表示(以 OA 處于原點的斜率)。因此當我們需要測這類晶體的介電常數時,應該施加很小的測量電場。

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