鐵電性
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鐵電性(ferroelectricity)是某些介電晶體所具有的性質(zhì)。
在一些電介質(zhì)晶體中,
晶胞的結(jié)構(gòu)使正負(fù)
電荷中心不重合而出現(xiàn)
電偶極矩,產(chǎn)生不等于零的
電極化強(qiáng)度,使晶體具有
自發(fā)極化,且電偶極矩方向可以因外電場而改變,呈現(xiàn)出類似于鐵磁體的特點(diǎn),晶體的這種性質(zhì)叫鐵電性。
中文名鐵電性外文名ferroelectricity
在一些電介質(zhì)晶體中,晶體的極化程度與電場強(qiáng)度呈現(xiàn)出非線性關(guān)系。
由于極化程度與電場強(qiáng)度的關(guān)系曲線與鐵磁體的磁滯回線形狀類似,所以人們把這類晶體稱為
鐵電體(其實(shí)晶體中并不含有鐵)。
1894年P(guān)ockels發(fā)現(xiàn)羅息鹽具有異常大的壓電常數(shù),1920年Valasek發(fā)現(xiàn)羅息鹽晶體(斜方晶系)鐵電電滯回線,1935年、1942年又發(fā)現(xiàn)了磷酸二氫鉀(KH2PO4)及其類似晶體中的鐵電性與鈦酸鋇(BaTiO3)陶瓷的鐵電性。迄今為止,已發(fā)現(xiàn)的具有鐵電性的材料,有一千多種。
電疇概念
通常,鐵電體自發(fā)極化的方向不相同,但在一個小區(qū)域內(nèi),各晶胞的自發(fā)極化方向相同,這個小區(qū)域就稱為鐵電疇(ferroelectric domains)。兩疇之間的界壁稱為疇壁,根據(jù)兩個電疇的自發(fā)極化方向,可分為90°疇壁、180°疇壁等。疇壁通常位于晶體缺陷附近,因?yàn)槿毕輩^(qū)存在內(nèi)應(yīng)力,疇壁不易移動。
鐵電疇與鐵磁疇有著本質(zhì)的差別:
1、鐵電疇壁的厚度很薄,大約是幾個
晶格常數(shù)的量級,但鐵
磁疇壁則很厚,可達(dá)到幾百個晶格常數(shù)的量級(例如Fe,磁疇壁厚約1000 );
疇壁取向
一般說來,如果鐵電晶體種類已經(jīng)明確,則其疇壁的取向就可確定。電疇壁的取向可由下列條件來確定:
a)晶體形變
電疇形成的結(jié)果使得沿疇壁而切割晶體所產(chǎn)生的兩個表面是等同的(即使考慮了自發(fā)形變)。
b)自發(fā)極化
兩個相鄰電疇的自發(fā)極化在垂直于疇壁方向的分量相等。
如果條件(a)不滿足,則電疇結(jié)構(gòu)會在晶體中引起大的彈性應(yīng)變。若條件(b)不滿足,則在疇壁上會出現(xiàn)
表面電荷,從而增大
靜電能,在能量上是不穩(wěn)定的。
電疇結(jié)構(gòu)與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。BaTiO
3的鐵電相晶體結(jié)構(gòu)有四方、斜方、菱形三種晶系,它們的自發(fā)極化方向分別沿[001],[011],[111]方向,這樣,除了90°和180°疇壁外,在
斜方晶系中還有60°和120°疇壁,在菱形晶系中還有71°,109°疇壁。
電疇轉(zhuǎn)向
鐵電疇在外電場作用下,總是要趨向于與外電場方向一致,稱作電疇“轉(zhuǎn)向”。電疇轉(zhuǎn)向是通過在外電場作用下新疇的出現(xiàn)、發(fā)展以及疇壁的移動來實(shí)現(xiàn)的。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在
電場作用下,180°疇的“轉(zhuǎn)向”是通過許多尖劈形新疇的出現(xiàn)、發(fā)展而實(shí)現(xiàn)的,尖劈形新疇迅速沿前端向前發(fā)展。對90°疇的“轉(zhuǎn)向”雖然也產(chǎn)生針狀電疇,但主要是通過90o疇壁的側(cè)向移動來實(shí)現(xiàn)的。實(shí)驗(yàn)證明,這種側(cè)向移動所需要的能量比產(chǎn)生針狀新疇所需要的能量還要低。一般在外電場作用下(人工極化)180°電疇轉(zhuǎn)向比較充分;同時由于“轉(zhuǎn)向”時結(jié)構(gòu)畸變小,
內(nèi)應(yīng)力小,因而這種轉(zhuǎn)向比較穩(wěn)定。而90度電疇的轉(zhuǎn)向是不充分的,所以這種轉(zhuǎn)向不穩(wěn)定。當(dāng)外加
電場撤去后,則有小部分電疇偏離
極化方向,恢復(fù)原位,大部分電疇則停留在新轉(zhuǎn)向的極化方向上,這叫剩余極化。
具有鐵電性的晶體可按照結(jié)晶狀態(tài)、極化軸、相態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)、維度模型等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類。
結(jié)晶狀態(tài)
含有氫鍵的晶體:磷酸二氫鉀(KDP)、三甘氨酸硫酸鹽(TGS)、羅息鹽(RS)等。這類晶體通常是從水溶液中生長出來的,故常被稱為
水溶性鐵電體,又叫
軟鐵電體;
雙氧化物晶體:如BaTiO3(BaO-TiO2)、KNbO3(K2O-Nb2O5)、LiNbO3 (Li2O-Nb2O5)等,這類晶體是從高溫熔體或熔鹽中生長出來的,又稱為硬鐵電體.它們可以歸結(jié)為ABO3型,Ba2+,K+、Na+離子處于A位置,而Ti4+、Nb6+、Ta6+離子則處于B位置。
極化軸
沿一個晶軸方向極化的鐵電體:羅息鹽(RS)、KDP等;
沿幾個晶軸方向極化的鐵電晶體:BaTiO3、Cd2Nb2O7等。
非鐵電相
非鐵電相無對稱中心:鉭鈮酸鉀(KTN)和磷酸二氫鉀(KDP)族的晶體。由于無對稱中心的晶體一般是壓電晶體,故它們都是具有
壓電效應(yīng)的晶體;
非鐵電相時有對稱中心:不具有壓電效應(yīng),如BaTiO3、TGS(硫酸三甘肽)以及與它們具有相同類型的晶體。
微觀結(jié)構(gòu)
位移型轉(zhuǎn)變的鐵電體:這類鐵電晶體的轉(zhuǎn)變是與一類離子的亞點(diǎn)陣相對于另一亞點(diǎn)陣的整體位移相聯(lián)系。屬于位移型鐵電晶體的有BaTiO3、LiNbO3等含氧的八面體結(jié)構(gòu)的雙氧化物;
有序-無序型轉(zhuǎn)變的鐵電體:其轉(zhuǎn)變是同離子個體的有序化相聯(lián)系的.有序-無序型鐵電體包含有氫鍵的晶體,這類晶體中質(zhì)子的運(yùn)動與鐵電性有密切關(guān)系。如磷酸二氫鉀(KDP)及其同型鹽就是如此。
維度模型
“一維型”――鐵電體極性反轉(zhuǎn)時,其每一個原子的位移平行于極軸,如BaTiO3;
“二維型”――鐵電體極性反轉(zhuǎn)時,各原子的位移處于包含極軸的平面內(nèi),如NaNO2;
“三維型”――鐵電體極性反轉(zhuǎn)時在所有三維方向具有大小相近的位移,如NaKC4H4O6·4H2O。