铁电体性能及其微结构.ppt

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 外加电场E增加时，铁电体的极化强度P按Ops线增加，增至Ps点时，电畴变成单一取向电畴（和E取向一致），此时P达到饱和，当E下降时，P按PsPr线下降，当E=0时，P=pr,Pr为剩余极化。 当P=0时，E=-Ec,Ec称为矫顽电场强度。P有滞后效应。 * * * * * * * * * * * * * * * * * * 当作用力FX=0时，正、负离子（即Si4+和2O2-）正好分布在正六边形顶角上，形成三个互成120o夹角的偶极矩P1、P2、P3，如图（a）所示。此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即 P1＋P2＋P3＝0 当晶体受到沿X方向的压力（FX<0）作用时，晶体沿X方向将产生收缩，正、负离子相对位置随之发生变化，如图（b）所示。此时正、负电荷中心不再重合，电偶极矩在X方向的分量为(P1+P2+P3)X>0 在Y、Z方向上的分量为 （P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0 由上式看出，在X轴的正向出现正电荷，在Y、Z轴方向则不出现电荷。 Y + + + - - - X (a) FX=0 P1 P2 P3 FX X Y + + + + － － － － FX (b) FX<0 + + + - - - P1 P2 P3 第三十一页，共五十八页，2022年，8月28日 可见，当晶体受到沿X(电轴)方向的力FX作用时，它在X方向产生正压电效应，而Y、Z方向则不产生压电效应。 晶体在Y轴方向力FY作用下的情况与FX相似。当FY＞0时，晶体的形变与图（b）相似；当FY＜0时，则与图（c）相似。由此可见，晶体在Y（即机械轴）方向的力FY作用下，使它在X方向产生正压电效应，在Y、Z方向则不产生压电效应。 （P1+P2+P3）X<0 （P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0 (c) FX>0 Y + + + - - X - + + + － － － FX FX P2 P3 P1 + － 当晶体受到沿X方向的拉力（FX＞0）作用时，其变化情况如图（c）。此时电极矩的三个分量为 在X轴的正向出现负电荷，在Y、Z方向则不出现电荷。 第三十二页，共五十八页，2022年，8月28日 晶体在Z轴方向力FZ的作用下，因为晶体沿X方向和沿Y方向所产生的正应变完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这就表明，沿Z(即光轴)方向的力FZ作用下，晶体不产生压电效应。 假设从石英晶体上切下一片平行六面体——晶体切片，使它的晶面分别平行于X、Y、Z轴，如图。并在垂直X轴方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面。 当晶片受到沿X轴方向的压缩力Fx作用时，晶片将产生厚度变形，在垂直于电轴的两表面产生电荷。 Z Y X b l 石英晶体切片 t 第三十三页，共五十八页，2022年，8月28日 第三十四页，共五十八页，2022年，8月28日 压电陶瓷 若陶瓷的主晶相为铁电体，外加电场使电畴重新排列，各个晶粒的自发极化方向趋于一致，对外就显示宏观的剩余极化，原来相互抵消的各个晶粒本身所固有的压电效应便对外呈现出宏观的压电效应，于是铁电陶瓷就变成了压电陶瓷。 第三十五页，共五十八页，2022年，8月28日 压电陶瓷及压电机理 压电陶瓷绝大部分是具有自发极化的铁电材料，如钛酸钡、钛酸铅、锆酸铅、锆钛酸铅等。 极化后的压电材料，因极化时电畴的转动，c轴方向与极化方向基本一致，去除外加电场后，陶瓷内部就产生了剩余极化强度，陶瓷表面就产生了束缚电荷。 第三十六页，共五十八页，2022年，8月28日 § 6.3 铁电陶瓷的性能与微结构关系 氧化物铁电体主要出现于钙钛矿、钨青铜、焦绿等的层状化合物等晶体结构中。 其结构均为Ti4+、Nb5+ 离子为中心的氧八面体的网络结构，这些迁移元素能形成极化率很大的能动离子，产生大介电常数。 第三十七页，共五十八页，2022年，8月28日 Ti的电子能量与3d、4s及4P轨道有关，这些轨道与邻接的6个O2-的σ-与π-轨道杂化，以(TiO 6)8-络合物形式形成多种分子轨道。正八面体通过变形降低对称性，能使其结合能降低，导致自发极化、铁电状态与大介电常数的实现。 对于电介质陶瓷的极化与变形有贡献的另一类能动离子是孤对离子。孤对离子在外侧的非对称杂化轨道中有2个电子。氧化物中最重要的孤对离子是P