铁电晶体的结构与性质.doc

铁电晶体的的结构与性质饶燕生摘要:铁电材料具有介电性、压电性、热释电性、铁电性以及电光效应、声光效应、光折变效应和非线性光学效应等重要特性,可用于制作铁电存储器、热释电红外探测器、空间光调制器、光波导、介质移相器、压控滤波器等重要的新型元器件。这些元器件在航空航天、通信、家电、国防等领域具有广泛的应用前景[]。本文第一章介绍了晶体的介电性质,包括压电效应与逆压电效应、热释电效应和铁电效应以及相应的基本特点。然后简要介绍了铁电晶体的发展情况。第二章主要是关于铁电晶体的基本概念及性质:首先是自发极化的现象及产生,以及铁电体中电畴的概念,简要解释了产生铁电效应的基本前提与要求;然后介绍了铁电体的最基本特性—电滞回线,包括电滞回线的基本含义及相关参数和电滞回线的测量;接着是铁电相的转变温度即居里点;最后简要介绍了关于铁电晶体的分类。第三章主要是关于铁电晶体的相变即居里点附近非平衡电子对相变的影响。首先从热力学出发写出了铁电半导体的自由能一般表达式;然后从自由能上分别分析了铁电晶体的二级相变和一级相变以及相变过程中相应参数的变化,最后简要考虑了非平衡电子对相变的影响,包括对居里点、自发极化、介电和压电性质以及潜热和热容量的突变的影响。目录摘要: 第一章 绪论 引言 晶体的介电性质 压电与逆压电效应 热释电效应 铁电晶体铁电晶体的发展简史 第二章铁电晶体的基本结构与性质 自发极化与电畴 电滞回线 电滞回线的含义 电滞回线的测量[] 铁电晶体的居里点 铁电晶体的分类 第三章铁电晶体的热力学 铁电半导体的自由能[] 铁电晶体的相变 钛酸钡的结构相变 二级相变 一级相变 电子对相变的影响 居里点的位移 自发极化的改变 介电和压电性质的变化 潜热和热容量的突变的变化 本章小结 第四章全文总结 参考文献 绪论引言铁电材料是一类重要的功能材料,它具有介电性、压电性、热释电性、铁电性以及电光效应、声光效应、光折变效应和非线性光学效应等重要特性,可用于制作铁电存储器、热释电红外探测器、空间光调制器、光波导、介质移相器、压控滤波器等重要的新型元器件。这些元器件在航空航天、通信、家电、国防等领域具有广泛的应用前景,因此铁电材料成了近年来高新技术研究的前沿和热点之一。铁电体与铁磁体在其它许多性质上也具有相应的平行类似性,电位移、电场强度、极化强度可分别类比于磁学中的磁感应、磁化强度和极化强度,极化强度与外加电场之间存在的回线与磁滞回线类似[]。“铁电体”之名即由此而来。“铁电体”之名即由此而来,其实它的性质与“铁”毫无关系。在欧洲(如法国、德国)常称“铁电体”为“薛格涅特电性”()或“罗息尔电性”()。因为历史上铁电现象是首先于年在罗息盐中发现的,而罗息盐是在年被法国药剂师薛格涅特在罗息这个地方第一次制备出来[]。晶体的介电性质根据固体材料对外电场作用的响应方式不同,我们可以把它们分成两类。一类是导电材料,即超导体、导体、半导体和绝缘体,它们是以传导方式传递外界电场的作用和影响(可以是电子传导、空穴传导和离子传导)。另一类固体材料则是以感应方式来传递外界电场的作用和影响,这类材料叫做介电材料或电介质材料。电介质材料置于外电场作用下,电介质内部就会出现电极化,原来不带电的电介质,其内部和表面将受感应而产生一定的电荷。电极化可以用极化强度表示(单位体积内感应的偶极矩),这种电极化可以分为电子极化、离子极化和取向极化。有一类电介质即使无外电场的作用其内部也会出现极化,这种极化称为自发极化,它可用矢量来描述。由于这种自发极化的出现,在晶体中形成了一个特殊的方向,具有这种特殊结构的电介质,每个晶胞中原子的构型使正负电荷重心沿这个特殊方向发生相对位移,形成电偶极矩,使整个晶体在该方向上呈现了极性,一端为正,一端为负,这个特殊方向称为特殊极性方向,在晶体学中通常称为极轴。而具有特殊极性方向的电介质称为极性电介质。晶体的许多性质,诸如介电、压电、热电和铁电性,以及与之相关的电致伸缩性质、非线性光学性质、电光性质、声光性质、光折变性质等,都是与其电极化性质相关的。晶体在外电场作用下,引起电介质产生电极化的现象,称为晶体的介电性。压电与逆压电效应[]当压电材料受到机械应力时,会引起电极化,其极化值与机械应力成正比,其符号则取决于应力的方向,这种现象称为正压电效应;反过来,材料在电场作用下,产生一个在数量上与电场强度成正比的应变,这种现象称为逆压电效应。从晶体点群的对称性和晶体物理性质的讨论可知,在种非中心对称点群中,除点群外,其余种点群的晶体都可能具有压电效应。压电材料是实现机械能与电能相互转变的工作物质。这是一类具有很大潜力的功能材料。热释电效应热释电效应指的是极化强度随温度改变而表现出的电荷释放现象,宏观上是温度的改变是在材料的两端出现电压或产生电流。与压电效应相似,热释电效