铁电体

材料工程学术语

铁电体是某些晶体在一定的温度范围内具有自发极化，而且其自发极化方向可以因外电场方向的反向而反向，晶体的这种性质称为铁电性，具有铁电性的晶体称为铁电体。

定义

铁电体是指具有铁电性的材料。铁电体在压电、介电、热释电和电致伸缩等方面有许多应用。具有铁电性的材料种类很多，有单晶、多晶、无机和有机等。钛酸钡、钛酸铅、铌酸钾等是典型的铁电体。

简介

某些晶体在一定的温度范围内具有自发极化，而且其自发极化方向可以因外电场方向的反向而反向，晶体的这种性质称为铁电性，具有铁电性的晶体称为铁电体。它之所以称为铁电体，是因为它与铁磁体在许多物理性质上有一一对应之处，如电滞回线对应磁滞回线，电畴对应磁畴，顺电-铁电相变对应顺磁-铁磁相变、电矩对应磁矩等等，而并非晶体中一定含有“铁”。

电体是一类特殊的电介质材料，它存在自发极化，且自发极化有两个或多个可能的取向，在电场作用下，其取向可以改变。铁电体的主要性质之一就在于显示出电滞效应，具有电滞回线，这是判定晶体为铁电体的重要依据。铁电体的自发极化在外电场作用下的重新定向并不是连续发生的，而是在外电场超过某一临界电场强度时发生的。这就使得极化强度P滞后于外加电场强度E。当电场发生周期性变化时，P和E之间便形成电滞回线。

如图1所示，开始时假设外电场为零，晶体中的各电畴互相补偿，晶体对外的宏观极化强度为零，晶体此时的状态处于O点。若沿着晶体某一可能产生自发极化的方向加上电场，当电场超过电畴反转的临界电场A点时，与外电场方向不一致的反平行畴与正交畴中便有许多新产生，而与电场方向不一致的畴逐渐消失，随着电场强度的增大，沿电场方向的电畴逐渐扩大，直到晶体中所有电畴均转向外电场方向，这时整个晶体变成一个单一的极化畴，达到了饱和状态。这一过程相当于图中的O点经A点到达B点。电场继续增加时，极化强度已不再由于畴的转向而大幅度增加，只能像普通电介质一样，通过电子和离子的线性位移沿着直线BC稍稍增加。当场强达到C点的E,时，相应的极化强度Pm=P,+aE。其中，P.为自发电极化，在自然状态下叫做具有电畴的极化；α是晶体的电子、离子位移极化率。到达C点后，若减小外电场强度，则极化强度沿着CB缓慢下降。当外电场下降到零时，极化强度并不沿着原路返回零点，而是大体保持着在强电场下的状态，此时有少数最不稳定的区域分裂出反向电畴，这时的剩余极化强度为P。剩余极化强度为P,要比自发极化强度P.小。要把晶体的剩余极化消除，需要加上反向电场，随着反向电场的增加，晶体中越来越多的电畴转向新的电场方向。当沿电场方向与逆电场方向的电畴体积相等时，晶体宏观极化强度为0。反剩余极化全部去除所需的反向电场强度称为矫顽电场强度E。电场继续在反方向上增加时，极化强度经F到达G点使所有电畴都在反方向上定向。当反向电场重新下降并改变其方向时，则与前面所述的过程相似，经由GH返回到C点，完成整个电滞回线CDGHC。电场方向变化一周，上述循环发生一次。电滞回线几个重要的参数分别为自发极化强度P,、矫顽电场强度E。和剩余极化强度P。

应用

铁电体在各种技术及领域中得到了广泛的应用。在商业方面，它被用于扬声器和助听器的制造：在传感器领域，可作加速计、压力计、切变计；在医学方面，可用于不同肌肉组织截面之间的声波反射观测，小型铁电换能器已能插入血管来测量心脏跳动的周期性压力变化：铁电陶瓷材料能在水或其他液体中产生或接收声波，利用这一原理开启了在水声工程和功率超声波发生器领域的广泛应用：固体或液体里的声波传播能方便地提供毫秒至微秒的信号时间延迟，这对计算机和数据处理系统具有重要用途：利用铁电陶瓷可做成不带电感的滤波器和谐振变压器，升压比可高达100:1；在汽车工业上，很早就用于汽油发动机的点火装置，具有不怕冷、易启动、寿命长等优点：在生活上，煤气灶、打火机等用品也都广泛应用了铁电体，目前的许多小型脉冲功率装置中使用的固体储能电容器也是以铁电陶瓷为介质制成的。

简史

1655年，法国 La Rochelle 地方的药剂师 Pierre de la Seignette 最早制造出了酒石酸钾钠，这种晶体后来被称作为 RS（罗息）盐。和磁性现象的类比，把 Seignette 电性称为铁电性，而具有铁电性的物体被称为 Seignette 体或铁电体。

分类

铁电体的分布很广，日前已知具有铁电性的晶体多达上千种。它们广泛地分布于从立方晶系到单斜晶系的10个点群中。

一、按结晶化学分类

1.双氧化物铁电体

这是一类最重要的铁电体，均具有氧八面体的结构特征。按不同的结构有课分成下列五族。

（1）钙钛矿型结构

（2）钨青铜型结构

（3）铌酸锂型结构

（4）烧绿石型结构

（5）含铋层状结构