鐵電性
編輯
鐵電性(ferroelectricity)是某些介電晶體所具有的性質。
在一些電介質晶體中,
晶胞的結構使正負
電荷中心不重合而出現
電偶極矩,產生不等于零的
電極化強度,使晶體具有
自發極化,且電偶極矩方向可以因外電場而改變,呈現出類似于鐵磁體的特點,晶體的這種性質叫鐵電性。
中文名鐵電性外文名ferroelectricity
在一些電介質晶體中,晶體的極化程度與電場強度呈現出非線性關系。
由于極化程度與電場強度的關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(其實晶體中并不含有鐵)。
1894年Pockels發現羅息鹽具有異常大的壓電常數,1920年Valasek發現羅息鹽晶體(斜方晶系)鐵電電滯回線,1935年、1942年又發現了磷酸二氫鉀(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,已發現的具有鐵電性的材料,有一千多種。
電疇概念
通常,鐵電體自發極化的方向不相同,但在一個小區域內,各晶胞的自發極化方向相同,這個小區域就稱為鐵電疇(ferroelectric domains)。兩疇之間的界壁稱為疇壁,根據兩個電疇的自發極化方向,可分為90°疇壁、180°疇壁等。疇壁通常位于晶體缺陷附近,因為缺陷區存在內應力,疇壁不易移動。
鐵電疇與鐵磁疇有著本質的差別:
1、鐵電疇壁的厚度很薄,大約是幾個
晶格常數的量級,但鐵
磁疇壁則很厚,可達到幾百個晶格常數的量級(例如Fe,磁疇壁厚約1000 );
2、在磁疇壁中
自發磁化方向可逐步改變方向,而鐵電體則不可能。
疇壁取向
一般說來,如果鐵電晶體種類已經明確,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
電疇形成的結果使得沿疇壁而切割晶體所產生的兩個表面是等同的(即使考慮了自發形變)。
b)自發極化
兩個相鄰電疇的自發極化在垂直于疇壁方向的分量相等。
如果條件(a)不滿足,則電疇結構會在晶體中引起大的彈性應變。若條件(b)不滿足,則在疇壁上會出現
表面電荷,從而增大
靜電能,在能量上是不穩定的。
電疇結構與晶體結構有關。BaTiO
3的鐵電相晶體結構有四方、斜方、菱形三種晶系,它們的自發極化方向分別沿[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“轉向”。電疇轉向是通過在外電場作用下新疇的出現、發展以及疇壁的移動來實現的。實驗發現,在
電場作用下,180°疇的“轉向”是通過許多尖劈形新疇的出現、發展而實現的,尖劈形新疇迅速沿前端向前發展。對90°疇的“轉向”雖然也產生針狀電疇,但主要是通過90o疇壁的側向移動來實現的。實驗證明,這種側向移動所需要的能量比產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°電疇轉向比較充分;同時由于“轉向”時結構畸變小,
內應力小,因而這種轉向比較穩定。而90度電疇的轉向是不充分的,所以這種轉向不穩定。當外加
電場撤去后,則有小部分電疇偏離
極化方向,恢復原位,大部分電疇則停留在新轉向的極化方向上,這叫剩余極化。
具有鐵電性的晶體可按照結晶狀態、極化軸、相態、微觀結構、維度模型等標準進行分類。
結晶狀態
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
壓電效應的晶體;
非鐵電相時有對稱中心:不具有壓電效應,如BaTiO3、TGS(硫酸三甘肽)以及與它們具有相同類型的晶體。
微觀結構
位移型轉變的鐵電體:這類鐵電晶體的轉變是與一類離子的亞點陣相對于另一亞點陣的整體位移相聯系。屬于位移型鐵電晶體的有BaTiO3、LiNbO3等含氧的八面體結構的雙氧化物;
有序-無序型轉變的鐵電體:其轉變是同離子個體的有序化相聯系的.有序-無序型鐵電體包含有氫鍵的晶體,這類晶體中質子的運動與鐵電性有密切關系。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”――鐵電體極性反轉時,各原子的位移處于包含極軸的平面內,如NaNO2;
“三維型”――鐵電體極性反轉時在所有三維方向具有大小相近的位移,如NaKC4H4O6·4H2O。