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压电铁电物理ppt下载

素材编号:
359473
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PowerPoint
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陈大蓉
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2019-06-28
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压电铁电物理ppt

压电铁电物理ppt免费下载是由PPT宝藏(www.shiekolong619.icu)会员陈大蓉上传推荐的物理课件PPT, 更新时间为2019-06-28,素材编号359473。

这是压电铁电物理ppt,包括了压电材料的发展历史,铁电材料的发展历史,国内概况,最新动态,基本定义,铁电物理部分,铁电的早期理论解释,铁电晶体的分类,成分和结构,居里-外斯常数的大小,静态畴结构及其形成原因,反铁电体,铁电体的应用等内容,欢迎点击下载。

压电铁电物理
压电材料的发展历史
1880年,居里兄弟首先发现电气石的压电效应,从此开始了压电学的历史。 1881年,居里兄弟实验验证了逆压电效应,给出石英相同的正逆压电常数。
1894年,Voigt指出,仅无对称中心的二十种点群的晶体才有可能具有压电效应,石英是压电晶体的一种代表,它被取得应用。  
第一次世界大战,居里的继承人郎之万,最先利用石英的压电效应,制成了水下超声探测器,用于探测潜水艇,从而揭开了压电应用史篇章。
压电材料及其应用取得划时代的进展应归咎于第二次世界大战中发现了BaTiO3陶瓷,1947年,美国Roberts在BaTiO3陶瓷上,施加高压进行极化处理,获得了压电陶瓷的电压性。随后,日本积极开展利用BaTiO3压电陶瓷制作超声换能器、高频换能器、压力传感器、滤波器、谐振器等各种压电器件的应用研究,这种研究一直进行到50年代中期。
1955年,美国B.Jaffe等人发现了比BaTiO3压电性更优越的PZT压电陶瓷,促使压电器件的应用研究又大大地向前推进了一大步。BaTiO3时代难于实用化的一些用途,特别是压电陶瓷滤波器和谐振器,随着PZT的问世,而迅速地实用化,应用声表面波(SAW)的滤波器、延迟线和振荡器等SAW器件,在七十年代后期也取得了实用化。
上世纪70年代初期,人们在锆钛酸铅材料二元系配方Pb(ZrTi)O3大基础上又研究了加入第三元改性的压电陶瓷三元系配方,如铌镁酸铅系为Pb(Mg1/3Nb2/3)(ZrTi)O3,可广泛用于拾音器、微音器、滤波器、变压器、超声延迟线及引燃引爆方面。如铌锌酸铅系Pb(Zn1/3Nb2/3)(ZrTi)O3,主要用来制造性能优良的陶瓷滤波器及机械滤波器的换能器。
近年来,人们又在三元系压电陶瓷配方基础上又研究了四元系压电陶瓷材料,如:
Pb(Ni1/3Nb2/3)(Zn1/3Nb2/3)(ZrTi)O3,Pb(Mn1/2Ni1/2)(Mn1/2Zr1/2)(ZrTi)O3等,可用来制造滤波器和受话器等。
铁电材料的发展历史
History in brief
1665 Seignette @ Rochelle, first synthesized of salt NaKC4H4O6·4H2O
1920 Valasek , Rochelle Salt(RS), unusual behavior of dielectric property, Rochelle-electricity, Seignette-electricity @Europe Journals
1920-1939  KH2PO4( KDP) , both RS and KDP have H-bonds
1940-1958  phenomenological theory, discovered BaTiO3 etc, WWII, hydrophone, term FERROELECTRICITY appeared, analog to Ferromagnetism, hysteresis loop
1959-1970’s  concept of Soft Modes, Pb(ZrxTi1-x)O3(PZT) based piezoelectrics
1980’s –today, military to domestic use
国内概况
最新动态
铁电物理部分
什么是铁电体
铁电体主要特征
典型的铁电材料的主要物理性质
铁电材料的分类
反铁电体
基本定义
具有自发极化强度(Ps)Spontaneous Polarization
自发极化强度能在外加电场下反转, Switchable  Ps
Note:
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,“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”(Seignett-electricity)或“罗息尔电性”(Rochell-electricity)。因为历史上铁电现象是首先于1920年在罗息盐中发现的,而罗息盐是在1665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。
铁电的早期理论解释
Slater-Devonshire theory for BaTiO3
BaTiO3的稳定态是钙钛矿结构,120C以下显示出铁电性。钙钛矿结构的化学分子式为ABO3,其中A代表二价或一价金属,B四价或五价金属;其结构特点是具有氧八面体结构,在氧八面体中央为半径较小的金属离子,而氧又被挤在半径较大的金属离子中间。
钙钛矿化合物大多数具有铁电性(如PbTiO3、KNbO3 和KTaO3等),可能与结构上的这些特点有关。
钙钛矿结构的铁电晶体其顺电—铁电相变都是属于位移相变,而是BaTiO3位移型铁电体的典型代表。
在BaTiO3晶体中,氧形成氧八面体,氧离子半径较小,氧的离子半径RO=1.32Å。四价金属离子Ti4+位于氧八面体中心,RTi=0.64Å。二价金属离子Ba2+位于氧八面体之间的间隙里,离子半径较大,RBa=1.43Å。
在温度低于1460℃,高于120℃时,BaTiO3属于立方晶系m3m点群,不具有铁电性。温度降至120℃时,其结构转变为四方晶系4mm点群,c轴略有伸长,c/a≈1.01.自发极化沿c轴方向具有明显的铁电性质。
当温度降至0℃(±5℃)附近,晶格结构转变为正交晶系2mm点群,具有铁电性,自发极化沿原来立方晶胞的[011]方向。通常把正交晶系的a轴取在极化方向上,正交晶系的b轴取相邻立方晶胞的[01]方向,并于a轴垂直,c轴垂直于a轴和b轴并平行与原立方晶胞[100]方向。
当温度降至-80℃时,晶格结构变为三角晶系的3m点群,仍具有铁电性,自发极化沿原立方晶胞的[111]方向。三角晶胞的三个边相等,a=b=c,角α=89°52’。 BaTiO3在不同温度范围内的单位晶胞和自发极化方向的改变示于图8—2中。图(b)(c)(d)中的虚线表示原顺电相时的立方晶胞,粗箭头表示自发极化的方向。
BaTiO3铁电相变的微观理论首先是从离子位移模型出发而发展起来的。对BaTiO3晶体的x射线衍射和中子衍射实验表明,当BaTiO3的结构从立方相转变到四方相时,Ti、O等离子都产生偏离原来平衡位置的位移。
若取立方相的平衡位置作参考,钡离子位置作坐标原点,用δZTi表示Ti沿c轴位移;δZOIδZOII分别表示在(001)面上的氧离子OI和(010)、(100)面上的氧离子OII沿轴c方向的位移,则在四方相原胞中各离子的位置坐标为:
Ba(0,0,0);Ti(0.5,0.5,0.5+δZTi),
OI(0.5,0.5, δZOI); OII(0.5,0,0.5+δZOII) 和 (0,0.5,0.5+δZOII)
上述坐标是以四方相的原胞边长为单位,a=3.99Å,b=4.03Å。氧离子的相对位移情况如图8—3所示。从图可见,Ti沿c轴正向移动,OI沿c轴负向移动,因而Ti和“上”方OI间距缩短,和“下”方的OI间距伸长。
把OII的位置取在c/2处作为相对位移的基准,室温下得到的衍射数据列于表8—1中;在正交相中,Ba、Ti和O的相对位移列于表8—2中。
表8—1 室温下BaTiO3原胞中各离子沿c轴的位移和离子间距
表8-2  -10℃时BaTiO3原胞中各离子沿c轴方向的相对位移和Ti-O键间距(δXOII =0)
关于BaTiO3铁电性的起因人们曾提出过多种微观模型。其中比较突出的有:
钛离子多个平衡位置的自发极化理论,认为BaTiO3在其顺电相结构中钛离子具有多个平衡位置,在温度低于居里点时,钛离子占据某个平衡位置几率大得多,因而出现自发极化;
钛--氧离子之间的强耦合理论,认为自发极化的产生是由于钛--氧离子之间存在着很强的相互作用场所致;
此外换有氧离子位移的自发极化理论;振动电子理论;价键性质转变理论(认为共价性增强,离子性减弱)等。
这些理论各有其不足和成功之处,本节不在一一介绍。
铁电晶体的分类
至今已经发现的铁电晶体有一千多种。
它们广泛地分布于从立方晶系到单斜晶系的10个点群中。
它们的自发极化强度从10-4C/m2到1C/m2;它们的居里点有的低到-261.5C(酒石酸铊锂),有的高于1500C。
表4-12给出了部分铁电晶体的分子式、居里点和自发极化强度。
对于晶格结构和特性差异如此之大的各种铁电体,要对它们做完善的统一分类是不容易的。
到目前为止,对铁电晶体的分类法有许多种,其中常用的有以下几种。
单轴铁电体,多轴铁电体
根据铁电体的极化轴的多少分为两类。一类是只能沿一个晶轴方向极化的铁电体,如罗息盐以及其它酒石酸盐,磷酸二氢钾型铁电体,硫酸铵以及氟铍酸铵等。另一类是可以沿几个晶轴方向极化的铁电体(在非铁电相时这些晶轴是等效的),如钛酸钡、铌酸钾、钾铵铝矾等。这种分类方法便于研究铁电畴。
是否有对称中心
根据铁电体在非铁电相有无对称中心亦可分为两类。一类铁电体在其顺电相的晶体结构不具有对称中心,因而有压电效应。如钽铌酸锂、罗息盐、KDP族晶体。另一类铁电体,其顺电相的晶格结构具有对称中心,因而不具有压电效应,如钛酸钡、铌酸钾以及它们的同类型晶体。这种分类方法便于铁电相变的热力学处理。
成分和结构
根据晶体成分和结构特征,可把铁电晶体分成两类。一类是含有氢键的晶体,如KDP族、TGS、罗息盐等。这类晶体的特点是可溶于水、力学性质软、居里点温度低、溶解温度低,常称“软”铁电体。另一类是双氧化物晶体,如钛酸钡、铌酸锂等晶体。它们的特点是不溶于水、力学性质硬、居里点温度高、溶解温度高,常称为“硬”铁电体。
居里-外斯常数的大小
主要特征
电滞回线hysteresis loop
居里温度Curie temperature c
介电反常Dielectric anomalous
电滞回线 hysteresis loop
自发极化Ps
剩余极化Pr
矫顽电场Ec
静态畴结构及其形成原因
铁电晶体在没有外电场和外力作用下从顺电相过渡到铁电相时,将出现至少两个等价的自发极化方向,以便使晶体的总自由能最小。因此,晶体在铁电相通常是由自发极化方向不同的一个一个小区域组成。每一个极化方向相同的小区域称为铁电畴,分离电畴的边界称为畴壁。Domain wall
电畴与晶体对称性
按照软模理论,铁电有序是软模(光学横模或赝自旋波)冻结的结果。该软模的波矢为零,故整个晶体呈现均匀极化,全部偶极子沿同一方向(特殊极性方向)排列。
这种单畴晶体的对称性即为铁电相的对称性。
但是我们知道,在顺电相中,有若干个方向与极化强度出现的方向对称性等效。因为这些方向在晶体学上和物理性质方面都是等同的,可以预料,晶体各部分的自发极化沿这些方向取向的概率是相等的。这表明铁电体将分成为电畴,而且从整体上看,多畴晶体的对称性等于顺电相的对称性。
下图是180畴壁和90畴壁
钛酸钡畴结构
反铁电体
反铁电体是这样一些晶体,晶体结构与同型铁电体相近,但相邻离子沿反平行方向产生自发极化,净自发极化强度为零,不存在类似于铁电中的电滞回线。介电常数(或极化率)与温度的关系为:在相变温度以下,介电常数很小,一般数量级为10-102;在相变温度时,介电常数出现峰值,一般数量级为几千。在相变温度以上,介电常数与温度的关系遵从居里-外斯定律。
x-射线分析表明,在相变温度以下,反铁电体中存在超结构线(即附加的衍射线)。这种超结构表示反铁电体中,晶体结构是由两种子晶格交错而成的,而子晶格之间沿相反方向极化。
反铁电体的例子:
磷酸二氢铵(NH4H2PO4) ,锆酸铅(PbZrO3)
铁电体的应用
铁电存储器(FRAM)
压电陶瓷
热敏电阻(PTC)
压电物理部分
 

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