熱釋電與鐵電的自發(fā)極化及其微觀機制

      在晶體中，如果晶胞中由于晶格結(jié)構(gòu)對稱性原因使正負電荷中心不相重合，即每一個晶胞具有一定的固有偶極矩時，由于晶體構(gòu)造的周期性和重復(fù)性，晶胞的固有偶極矩便會沿同一方向排列整齊，使晶體處于高度極化狀態(tài)下。這種極化狀態(tài)是在外電場為零時自發(fā)產(chǎn)生的，因而稱為自發(fā)極化。具有自發(fā)極化的晶體必然是個帶電體，在晶體內(nèi)外空間建立電場，其電場強度取決于自發(fā)極化強度。

      非極性晶體從彈的角度考慮是穩(wěn)定的，那么為什么其中會出現(xiàn)陰、陽離子的位移從而出現(xiàn)自發(fā)極化呢?其原因可以簡單地闡述如下。假設(shè)偶極子起源于電荷為q的一種A離子在晶格中的位移，則極化起因于晶格中的A離子作了相同的位移，這就導(dǎo)致了對于任何一個單個的A離子，即使無外場作用，也總有來自周圍極化P所產(chǎn)生的局部電場作用其上。局部電場形成的基本原理示于下圖，其大小可用下式計算

       這里需要指出，用實驗方法很難發(fā)現(xiàn)具有自發(fā)極化的晶體所帶電荷，這是因為自發(fā)極化建立的電場吸引了晶體內(nèi)部和外都空間的異號自由電荷，在晶體表面形成一個表面電荷層，結(jié)果自發(fā)極化建立的表面束縛電荷被吸引來的表面自由電荷所屏蔽。但是，改變溫度或者施加應(yīng)力產(chǎn)生變形時，由于離子間距和鍵角發(fā)生變化，自發(fā)極化強度也將發(fā)生變化。這時被自發(fā)極化束縛在表面的自由電荷層就有一部分可以恢復(fù)自由而釋放出來，使晶體呈現(xiàn)出帶電狀態(tài)或在閉合電路中產(chǎn)生電流。這就是熱釋電效應(yīng)和壓電效應(yīng)。