鐵電材料介紹

鐵電材料是一種非常重要的電介質(zhì)材料，不僅具有較高的介電常數(shù)，還有顯著的熱釋電效應(yīng)和壓電效應(yīng)，因此也被廣泛應(yīng)用于從日常生活到多個技術(shù)領(lǐng)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(guān)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)具有鐵電性，一旦當溫度超過某一設(shè)定值，就會經(jīng)歷從鐵電相 (ferroelectric phase) 到順電相(paraelectric phase) 的結(jié)構(gòu)相變，自發(fā)極化也會隨之消失，這一轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，也稱作順電結(jié)構(gòu)。

當鐵電晶體發(fā)生自發(fā)極化現(xiàn)象時，由其正負兩端的束縛電荷產(chǎn)生的退極化場與極化取向相反，這時晶體內(nèi)部的靜電能將會變大。當鐵電晶體被束縛時，應(yīng)變能還將因為自發(fā)極化產(chǎn)生的自發(fā)應(yīng)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(nèi)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(guān)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(xiàn)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(zhuǎn)。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(xiàn)，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(yīng)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(zhuǎn)。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(yīng)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(guān)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(shù)都是常數(shù)，如鐵電體，由于極化屬于非線性的，因此，其介電常數(shù)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(shù)時，應(yīng)該施加很小的測量電場。