鐵電材料介紹

鐵電材料是一種非常重要的電介質材料，不僅(jin) 具有較高的介電常數，還有顯著的熱釋電效應和壓電效應，因此也被廣泛應用於(yu) 從(cong) 日常生活到多個(ge) 技術領域。在有限溫度下，鐵電材料具有自發極化，並且自發極化的取向可能有兩(liang) 個(ge) 或多個(ge) ，其取向還會(hui) 隨著電場作用而發生改變。極化交互作用還會(hui) 使得長程序與(yu) 熱漲落（溫度 T）兩(liang) 者發生競爭(zheng) 關(guan) 係，一旦前者比後者強度高，就會(hui) 發生順電-鐵電相變，反之亦然[1-6]。由於(yu) 極化屬於(yu) 一種極性矢量，而產(chan) 生的自發極化會(hui) 在晶體(ti) 中形成*的方向，這時每個(ge) 晶胞中的原子就會(hui) 沿著該方向產(chan) 生相對位移，使得正、負電荷中心不重合，從(cong) 而形成電偶極矩。晶體(ti) 一般隻在一定的溫度範圍內(nei) 具有鐵電性，一旦當溫度超過某一設定值，就會(hui) 經曆從(cong) 鐵電相 (ferroelectric phase) 到順電相(paraelectric phase) 的結構相變，自發極化也會(hui) 隨之消失，這一轉變溫度被稱為(wei) 居裏溫度 (TC)。當溫度高於(yu) 居裏溫度，晶體(ti) 是非極性結構，也稱作順電結構。

當鐵電晶體(ti) 發生自發極化現象時，由其正負兩(liang) 端的束縛電荷產(chan) 生的退極化場與(yu) 極化取向相反，這時晶體(ti) 內(nei) 部的靜電能將會(hui) 變大。當鐵電晶體(ti) 被束縛時，應變能還將因為(wei) 自發極化產(chan) 生的自發應變而增加。因此，就算極化均勻，其狀態也是不穩定的，晶體(ti) 還將自發分成小區域，這些小區域被稱為(wei) ―疇‖。雖然各個(ge) 疇的極化方向不一致，但疇內(nei) 部的電偶極子取向卻相同。對於(yu) 多晶而言，其電疇取向沒有任何規律可循，因為(wei) 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極化取向間還存在著簡單的關(guan) 係。就鐵電體(ti) 晶體(ti) 整體(ti) 來說，在沒有電場作用之前，極化狀態也將不會(hui) 對外呈現出來。

施加外電場後，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(cong) 0 慢慢變大時，鐵電疇成核並長大，再有疇壁運動，導*化發生翻轉。在電場較弱的情況下，占主導地位的將會(hui) 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），極化強度趨於(yu) 飽和，而此時的晶體(ti) 也變成單疇。此時電場強度值若再變大，總的極化強度仍會(hui) 因為(wei) 感應極化的增加而有所增大。如果從(cong) 飽和狀態後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(ti) 在電場強度值為(wei) 零 時的極化強度仍然很大。線段 OD 被稱之為(wei) 剩餘(yu) 極化 Pr (remanent polarization)。線段 CB 的延長線與(yu) 極化縱軸交於(yu) 點 E，則此時的線段 OE 表示為(wei) 自發極化 PS。如果外加電場為(wei) 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(wei) EC（EC，矯頑電場強度 (coercive field) ）時，極化強度為(wei) 零。F→I 段曲線為(wei) 電疇的反向定向區，當電場強度值到達 I 點時，極化強度又趨於(yu) 飽和，再逐漸增大反向電場時，線段 IG 與(yu) 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(hui) 沿著G→I→H→C 曲線返回，由此行成一個(ge) 閉合的回線。由上分析得知，電場 E 在正、負飽和值之間循環一圈後，P-E 之間的關(guan) 係就如曲線 CBDFIGHC 所示，這和鐵磁材料的磁滯回線非常類似。

並不是每個(ge) 晶體(ti) 的介電常數都是常數，如鐵電體(ti) ，由於(yu) 極化屬於(yu) 非線性的，因此，其介電常數通常用斜率表示（以 OA 處於(yu) 原點的斜率）。因此當我們(men) 需要測這類晶體(ti) 的介電常數時，應該施加很小的測量電場。