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    壓電鐵電物理ppt下載

    素材編號:
    359473
    素材軟件:
    PowerPoint
    素材格式:
    .ppt
    素材上傳:
    陳大蓉
    上傳時間:
    2019-06-28
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    1.41 MB
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    物理課件PPT
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    壓電鐵電物理ppt

    壓電鐵電物理ppt免費下載是由PPT寶藏(www.okfdzs1790.com)會員陳大蓉上傳推薦的物理課件PPT, 更新時間為2019-06-28,素材編號359473。

    這是壓電鐵電物理ppt,包括了壓電材料的發展歷史,鐵電材料的發展歷史,國內概況,最新動態,基本定義,鐵電物理部分,鐵電的早期理論解釋,鐵電晶體的分類,成分和結構,居里-外斯常數的大小,靜態疇結構及其形成原因,反鐵電體,鐵電體的應用等內容,歡迎點擊下載。

    壓電鐵電物理
    壓電材料的發展歷史
    1880年,居里兄弟首先發現電氣石的壓電效應,從此開始了壓電學的歷史。 1881年,居里兄弟實驗驗證了逆壓電效應,給出石英相同的正逆壓電常數。
    1894年,Voigt指出,僅無對稱中心的二十種點群的晶體才有可能具有壓電效應,石英是壓電晶體的一種代表,它被取得應用! 
    第一次世界大戰,居里的繼承人郎之萬,最先利用石英的壓電效應,制成了水下超聲探測器,用于探測潛水艇,從而揭開了壓電應用史篇章。
    壓電材料及其應用取得劃時代的進展應歸咎于第二次世界大戰中發現了BaTiO3陶瓷,1947年,美國Roberts在BaTiO3陶瓷上,施加高壓進行極化處理,獲得了壓電陶瓷的電壓性。隨后,日本積極開展利用BaTiO3壓電陶瓷制作超聲換能器、高頻換能器、壓力傳感器、濾波器、諧振器等各種壓電器件的應用研究,這種研究一直進行到50年代中期。
    1955年,美國B.Jaffe等人發現了比BaTiO3壓電性更優越的PZT壓電陶瓷,促使壓電器件的應用研究又大大地向前推進了一大步。BaTiO3時代難于實用化的一些用途,特別是壓電陶瓷濾波器和諧振器,隨著PZT的問世,而迅速地實用化,應用聲表面波(SAW)的濾波器、延遲線和振蕩器等SAW器件,在七十年代后期也取得了實用化。
    上世紀70年代初期,人們在鋯鈦酸鉛材料二元系配方Pb(ZrTi)O3大基礎上又研究了加入第三元改性的壓電陶瓷三元系配方,如鈮鎂酸鉛系為Pb(Mg1/3Nb2/3)(ZrTi)O3,可廣泛用于拾音器、微音器、濾波器、變壓器、超聲延遲線及引燃引爆方面。如鈮鋅酸鉛系Pb(Zn1/3Nb2/3)(ZrTi)O3,主要用來制造性能優良的陶瓷濾波器及機械濾波器的換能器。
    近年來,人們又在三元系壓電陶瓷配方基礎上又研究了四元系壓電陶瓷材料,如:
    Pb(Ni1/3Nb2/3)(Zn1/3Nb2/3)(ZrTi)O3,Pb(Mn1/2Ni1/2)(Mn1/2Zr1/2)(ZrTi)O3等,可用來制造濾波器和受話器等。
    鐵電材料的發展歷史
    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
    國內概況
    最新動態
    鐵電物理部分
    什么是鐵電體
    鐵電體主要特征
    典型的鐵電材料的主要物理性質
    鐵電材料的分類
    反鐵電體
    基本定義
    具有自發極化強度(Ps)Spontaneous Polarization
    自發極化強度能在外加電場下反轉, Switchable  Ps
    Note:
    鐵電體與鐵磁體在其它許多性質上也具有相應的平行類似性,“鐵電體”之名即由此而來,其實它的性質與“鐵”毫無關系。在歐洲(如法國、德國)常稱“鐵電體”為“薛格涅特電性”(Seignett-electricity)或“羅息爾電性”(Rochell-electricity)。因為歷史上鐵電現象是首先于1920年在羅息鹽中發現的,而羅息鹽是在1665年被法國藥劑師薛格涅特在羅息這個地方第一次制備出來。
    鐵電的早期理論解釋
    Slater-Devonshire theory for BaTiO3
    BaTiO3的穩定態是鈣鈦礦結構,120C以下顯示出鐵電性。鈣鈦礦結構的化學分子式為ABO3,其中A代表二價或一價金屬,B四價或五價金屬;其結構特點是具有氧八面體結構,在氧八面體中央為半徑較小的金屬離子,而氧又被擠在半徑較大的金屬離子中間。
    鈣鈦礦化合物大多數具有鐵電性(如PbTiO3、KNbO3 和KTaO3等),可能與結構上的這些特點有關。
    鈣鈦礦結構的鐵電晶體其順電—鐵電相變都是屬于位移相變,而是BaTiO3位移型鐵電體的典型代表。
    在BaTiO3晶體中,氧形成氧八面體,氧離子半徑較小,氧的離子半徑RO=1.32Å。四價金屬離子Ti4+位于氧八面體中心,RTi=0.64Å。二價金屬離子Ba2+位于氧八面體之間的間隙里,離子半徑較大,RBa=1.43Å。
    在溫度低于1460℃,高于120℃時,BaTiO3屬于立方晶系m3m點群,不具有鐵電性。溫度降至120℃時,其結構轉變為四方晶系4mm點群,c軸略有伸長,c/a≈1.01.自發極化沿c軸方向具有明顯的鐵電性質。
    當溫度降至0℃(±5℃)附近,晶格結構轉變為正交晶系2mm點群,具有鐵電性,自發極化沿原來立方晶胞的[011]方向。通常把正交晶系的a軸取在極化方向上,正交晶系的b軸取相鄰立方晶胞的[01]方向,并于a軸垂直,c軸垂直于a軸和b軸并平行與原立方晶胞[100]方向。
    當溫度降至-80℃時,晶格結構變為三角晶系的3m點群,仍具有鐵電性,自發極化沿原立方晶胞的[111]方向。三角晶胞的三個邊相等,a=b=c,角α=89°52’。 BaTiO3在不同溫度范圍內的單位晶胞和自發極化方向的改變示于圖8—2中。圖(b)(c)(d)中的虛線表示原順電相時的立方晶胞,粗箭頭表示自發極化的方向。
    BaTiO3鐵電相變的微觀理論首先是從離子位移模型出發而發展起來的。對BaTiO3晶體的x射線衍射和中子衍射實驗表明,當BaTiO3的結構從立方相轉變到四方相時,Ti、O等離子都產生偏離原來平衡位置的位移。
    若取立方相的平衡位置作參考,鋇離子位置作坐標原點,用δZTi表示Ti沿c軸位移;δZOIδZOII分別表示在(001)面上的氧離子OI和(010)、(100)面上的氧離子OII沿軸c方向的位移,則在四方相原胞中各離子的位置坐標為:
    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)
    上述坐標是以四方相的原胞邊長為單位,a=3.99Å,b=4.03Å。氧離子的相對位移情況如圖8—3所示。從圖可見,Ti沿c軸正向移動,OI沿c軸負向移動,因而Ti和“上”方OI間距縮短,和“下”方的OI間距伸長。
    把OII的位置取在c/2處作為相對位移的基準,室溫下得到的衍射數據列于表8—1中;在正交相中,Ba、Ti和O的相對位移列于表8—2中。
    表8—1 室溫下BaTiO3原胞中各離子沿c軸的位移和離子間距
    表8-2  -10℃時BaTiO3原胞中各離子沿c軸方向的相對位移和Ti-O鍵間距(δXOII =0)
    關于BaTiO3鐵電性的起因人們曾提出過多種微觀模型。其中比較突出的有:
    鈦離子多個平衡位置的自發極化理論,認為BaTiO3在其順電相結構中鈦離子具有多個平衡位置,在溫度低于居里點時,鈦離子占據某個平衡位置幾率大得多,因而出現自發極化;
    鈦--氧離子之間的強耦合理論,認為自發極化的產生是由于鈦--氧離子之間存在著很強的相互作用場所致;
    此外換有氧離子位移的自發極化理論;振動電子理論;價鍵性質轉變理論(認為共價性增強,離子性減弱)等。
    這些理論各有其不足和成功之處,本節不在一一介紹。
    鐵電晶體的分類
    至今已經發現的鐵電晶體有一千多種。
    它們廣泛地分布于從立方晶系到單斜晶系的10個點群中。
    它們的自發極化強度從10-4C/m2到1C/m2;它們的居里點有的低到-261.5C(酒石酸鉈鋰),有的高于1500C。
    表4-12給出了部分鐵電晶體的分子式、居里點和自發極化強度。
    對于晶格結構和特性差異如此之大的各種鐵電體,要對它們做完善的統一分類是不容易的。
    到目前為止,對鐵電晶體的分類法有許多種,其中常用的有以下幾種。
    單軸鐵電體,多軸鐵電體
    根據鐵電體的極化軸的多少分為兩類。一類是只能沿一個晶軸方向極化的鐵電體,如羅息鹽以及其它酒石酸鹽,磷酸二氫鉀型鐵電體,硫酸銨以及氟鈹酸銨等。另一類是可以沿幾個晶軸方向極化的鐵電體(在非鐵電相時這些晶軸是等效的),如鈦酸鋇、鈮酸鉀、鉀銨鋁礬等。這種分類方法便于研究鐵電疇。
    是否有對稱中心
    根據鐵電體在非鐵電相有無對稱中心亦可分為兩類。一類鐵電體在其順電相的晶體結構不具有對稱中心,因而有壓電效應。如鉭鈮酸鋰、羅息鹽、KDP族晶體。另一類鐵電體,其順電相的晶格結構具有對稱中心,因而不具有壓電效應,如鈦酸鋇、鈮酸鉀以及它們的同類型晶體。這種分類方法便于鐵電相變的熱力學處理。
    成分和結構
    根據晶體成分和結構特征,可把鐵電晶體分成兩類。一類是含有氫鍵的晶體,如KDP族、TGS、羅息鹽等。這類晶體的特點是可溶于水、力學性質軟、居里點溫度低、溶解溫度低,常稱“軟”鐵電體。另一類是雙氧化物晶體,如鈦酸鋇、鈮酸鋰等晶體。它們的特點是不溶于水、力學性質硬、居里點溫度高、溶解溫度高,常稱為“硬”鐵電體。
    居里-外斯常數的大小
    主要特征
    電滯回線hysteresis loop
    居里溫度Curie temperature c
    介電反常Dielectric anomalous
    電滯回線 hysteresis loop
    自發極化Ps
    剩余極化Pr
    矯頑電場Ec
    靜態疇結構及其形成原因
    鐵電晶體在沒有外電場和外力作用下從順電相過渡到鐵電相時,將出現至少兩個等價的自發極化方向,以便使晶體的總自由能最小。因此,晶體在鐵電相通常是由自發極化方向不同的一個一個小區域組成。每一個極化方向相同的小區域稱為鐵電疇,分離電疇的邊界稱為疇壁。Domain wall
    電疇與晶體對稱性
    按照軟模理論,鐵電有序是軟模(光學橫;蜈I自旋波)凍結的結果。該軟模的波矢為零,故整個晶體呈現均勻極化,全部偶極子沿同一方向(特殊極性方向)排列。
    這種單疇晶體的對稱性即為鐵電相的對稱性。
    但是我們知道,在順電相中,有若干個方向與極化強度出現的方向對稱性等效。因為這些方向在晶體學上和物理性質方面都是等同的,可以預料,晶體各部分的自發極化沿這些方向取向的概率是相等的。這表明鐵電體將分成為電疇,而且從整體上看,多疇晶體的對稱性等于順電相的對稱性。
    下圖是180疇壁和90疇壁
    鈦酸鋇疇結構
    反鐵電體
    反鐵電體是這樣一些晶體,晶體結構與同型鐵電體相近,但相鄰離子沿反平行方向產生自發極化,凈自發極化強度為零,不存在類似于鐵電中的電滯回線。介電常數(或極化率)與溫度的關系為:在相變溫度以下,介電常數很小,一般數量級為10-102;在相變溫度時,介電常數出現峰值,一般數量級為幾千。在相變溫度以上,介電常數與溫度的關系遵從居里-外斯定律。
    x-射線分析表明,在相變溫度以下,反鐵電體中存在超結構線(即附加的衍射線)。這種超結構表示反鐵電體中,晶體結構是由兩種子晶格交錯而成的,而子晶格之間沿相反方向極化。
    反鐵電體的例子:
    磷酸二氫銨(NH4H2PO4) ,鋯酸鉛(PbZrO3)
    鐵電體的應用
    鐵電存儲器(FRAM)
    壓電陶瓷
    熱敏電阻(PTC)
    壓電物理部分
     

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