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  • 鐵電材料介紹
    http://www.ic72.com 发布时间:2007/4/29 10:34:12

    1.Introduction:

      近來,鐵電晶體以成為十分惹人注意的一類晶體,其原因在於他們具有相當優異的性能。許多電光晶體、壓電材料就是鐵電晶體。鐵電晶體無論在技術上或理論上都具有重要的意義。

      壓電材料:物質受機械應力作用時能產生電壓,或受電壓作用時能產生機械應力的性質。例如:竊聽器、Fabry-Perot干涉儀的推進器(陶瓷)、......

      電光晶體:折射率在外電場作用下發生改變的材料。例如:Q開關、......

    2.鐵電晶體的一般特性:

      其最基本的特性為在某些溫度範圍會具有自發極化,而且極化強度可以隨外電場反向而反向,從而出現電滯迴線。

      a.自發極化:鐵電晶體是電介質中一類特別重要的介電晶體。電介質的特性是:他們以感應而非以傳導的方式傳播電的作用與影響。按照這個意義來說,不能簡單的認為電介質就是絕緣體。在電介質中起主要作用的是束縛著的電荷,在電的作用下,他們以正、負電荷重心不重和的電極化方式傳遞和紀錄電的影響。而鐵電晶體是-------即使沒有外加電場,也可以顯現出電偶極距的特性。因其每單位晶胞帶有電偶極矩,且其極化率與溫度有關。

      b.電滯迴線的分析:極化強度P和外電場E間的關係構成電滯迴線。一般而言,晶體的壓電性質與自發極化性質都是由晶體的對稱性決定的,可是對於鐵電晶體,外電場能使自發極化反向的特徵卻不能由晶體的結構來預測,只能透過電滯迴線的測定(或介電係數的測定)來判斷。

      電滯迴線表示鐵電晶體中存在domain。鐵電晶體通常是由許多稱為domain的區域所組成,而在每一個domain裡面有相同的極化方向,而與鄰近的domain其極化方向不同。如果是多晶體,由於晶粒本身的取向是任意的,不同domain中極化強度的相對取向可以是沒有規律的。但若是單晶體,不同domain中極化強度取向之間存在著簡單的關係。為明確起見,這裡只考慮單晶體的電滯迴線,並且設極化強度的取向只有兩種可能,亦即沿某軸的正向或負向。

      假設在沒有外電場的存在下,晶體的總電矩為零,及晶體的兩類domain中極化強度方向互為相反平行。當外電場施加於晶體時,極化強度沿電場方向的domain變大,而與其反平行方向的domain則變小。這樣,極化強度P隨外電場E增大而增大,如圖中OA段曲線所示。電場強度的繼續增大,最後使晶體只具有單個的domain,晶體的極化強度達到飽和,這相當餘圖中C附近的部分,將這線性部分推延至外場為零的情形,在縱軸P上所得的傑具稱為飽和極化強度(即E點)。實際上,這也是每個domain原來已經存在的極化強度。因此飽和極化強度是對每個domain而言的。如電場自圖中C處開始降低,晶體的極大P值亦隨之減小,但在零電場時,仍存在剩餘極化強度(即D點)。必須注意,剩餘極化強度是對整個晶體而言的。當點場反向達到矯頑電場強度時(即F點),剩餘極化全部消失,反向電場的值繼續增大時,極化強度反向。如果矯頑電場強度大於晶體的擊穿場強,那麼在極化反向之前晶體已被電擊穿,便不能說該晶體具有鐵電性。

      c.介電常數的測定:當溫度高於某一臨界溫度時,晶體的鐵電性消失,並且晶格亦發生轉變,這一溫度是鐵電體的居里點。由於鐵電性的出現或消失,總伴隨著晶格結構的改變,所以這是個相變過程。當晶體從非鐵電相(稱順電相)向鐵電相過渡時,晶體的許多物理性質皆呈反常現象。對於一階相變常伴隨有潛熱的發生,對於二階相變則出現比熱的突變。鐵電相中自發極化強度是和晶體的自發電致形變相關,所以鐵電相的晶格結構的對稱性要比非鐵電相(順電相)的為低。如果晶體具有兩個或多個鐵電相時,表徵順電相與鐵電相之間的一個相變溫度,統稱為過渡溫度或轉變溫度。(在此附近時,介電係數常有迅速陡降的現象)。

      由於極化的非線性,鐵電體的介電係數不是常數,而是依賴於外加電場的,一邊,以電滯迴線中OA曲線在原點的斜率來代表介電係數,即在測量介電係數ε時,所加的外電場很小。鐵電體在過渡溫度附近,介電係數ε具有很大的值,數量及達到 ,當溫度高於居里點時,介電係數隨溫度變化的關係遵守居里-外斯定律:

    式中 稱為特性溫度,他一般略低於居里點,C稱為居里常數,而 代表電子極化對介電係數的貢獻,在過渡溫度時, 可以忽略。

    3.鐵電晶體的分類:

      現在發現,具有鐵電性的晶體很多,但概括起來可以分為兩大類:

      a.一類以磷酸二氫鉀 KH2PO4 --簡稱KDP--為代表,具有氫鍵,他們從順電相過渡到鐵電像是無序到有序的相變。以KDP為代表的氫鍵型鐵電晶體,中子繞射的數據顯示,在居里溫度以上,質子沿氫鍵的分佈是成對稱沿展的形狀。在低於居里溫度時,質子的分佈較集中且不對稱於鄰近的離子,質子會較靠近氫鍵的一端。

      b.另一類則以鈦酸鋇為代表,從順電相到鐵電像的過渡是由於其中兩個子晶格發生相對位移。對於以為代表的鈣鈦礦型鐵電體,繞射實驗證明,自發極化的出現是由於正離子的子晶格與負離子的子晶格發生相對位移。




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