压电热释电铁电材料.ppt

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1、电子信息材料-03压电、热释电与铁电材料,材料科学与工程学院：马永昌,第三章压电、热释电与铁电材料,各自的应用领域,发展历史,目录,3.1 压电物理基础知识3.2 石英晶体3.3 热释电材料与器件3.4 铌酸锂和钽酸锂晶体3.5 铁电陶瓷,压电、热释电、铁电晶体之间的关系,热释电,压电,不导电（电介质）,铁电 自发极化铁磁自发磁化,铁电物理研究新进展New Progress in Ferroelectrics王 忆Reporter:Wang Yi天文与应用物理系Tel:3601854Office Room:1218,细推物理须行乐何用浮名绊此生 杜甫,1.History of Ferroele

2、ctrics(Ferromagnetics)166（5）5年前后 法国La Rochelled地方人 Pierre de la Seignette最早试制成功罗息盐（RS）（酒石酸甲钠,NaKC4H4O64H2O）Sodium Potassium Tartrate Tetrahydrate 1920年 法国人Valasek发现罗息盐的 特异的非线性介电性能，导致了“铁电性”概念的出现.1920年成为铁电物理学研究开始的象征？目前，世界上存在200多种铁电体,铁电体的晶体结构：ABO3(ABF3)perovskite structurewith A2+B4+or A1+B5+octahedra,

3、钙钛矿(ABO3)型铁电体是为数最多的一类铁电体,钙钛矿结构的一个结构单元,Pierre was killed in a street accident in Paris on April 19,1906,Pierre Curie was born in Paris,on May 15,1859.,A Nobel Prize Pioneer at the PanthonThe ashes of Marie Curie and her husband Pierre have now been laid to rest under the famous dome of the Panthon,in

4、 Paris,alongside the author Victor Hugo,the politician Jean Jaurs and the Resistance fighter Jean Moulin.Through her discovery of radium,Marie Curie paved the way for nuclear physics and cancer therapy.Born of Polish parents,she was a woman of science and courage,compassionate yet stubbornly determi

5、ned.Her research work was to cost her her life.,Born in Warsaw on November 7,1867,Marie died of leukaemia in July,1934,自发极化的产生,顺电相：Ba：（0，0，0）Ti：（12，12，12），3O：（12，12，0）；(12，0，12）；（0，12，12)铁电相：Ba：（0，0，0）Ti：（12，12，12+0.0135），O：（12，12，-0.0250），2O：（12，0，12-0.0150）；（0，12，12-0.0150）,重要特征：铁电体的电滞回线(hysteresi

6、s loop),OD:Pr remanent polarizationOE:Ps spontaneous polarizationOF:Ec coercive fieldE:electric fieldP:polarization amplitude,2.研究内容：bulk materials thin films核心问题 自发极化 spontaneous polarization自发极化是怎样产生的？自发极化与晶体结构和电子结构有什么关系？在各种外界条件作用下极化状态怎样变化？特殊的物理性质和应用,五个研究阶段：第一阶段（19201939年）两种铁电结构材料，即罗息盐和KH2PO4系列；第二

7、阶段（19401958年）Landau铁电唯象phenomenological理论开始建立，并趋于成熟；第三阶段（195970年代）铁电软模(Soft-Mode)理论出现和基本完善；第四阶段（80年代至今）主要研究各种非均匀系统。第五个阶段：96年开始铁电薄膜和铁电薄膜器件,Lev Davidovich Landau,Born:22 Jan 1908 in Baku,Azerbaijan,Russian EmpireDied:1 April 1968 in Moscow,USSR,Several Important Concepts:铁电相变：phase transition of ferro

8、electrics铁电相与顺电(paraelectricity)相之间的转变居里温度（居里点）Tc 铁电体(ferroelectric)变成顺电体(paraelectric)实质：自发极化出现或消失,Domain and Domain Wall,Dielectric Constant,3.铁电理论I：铁电宏观理论-朗道相变理论将对称破缺引入到相变理论，强调对称性的重要性,对称性的存在与否是不容模棱两可的,高对称性相中某一对称元素突然消失,就对应于相变的发生,导致低对称相的出现。对称性 有序化程度序参量：描写系统内部有序化程度，表征相变过程 的基本参量.高对称相中为零，低对称相中 不为零.序参量

9、和对称破缺对温度的依赖性,Landau理论的具体表达：自由能作于为序参量的函数。序参量：标量、矢量、张量或复数。在相变点附近，将自由能展开：,Ferroelectric Bi3.25La0.75Ti3O12,使自由能达到极小,使自由能达到极小,连续变化要求，,Some important quantities can be obtained by:序参量(order parameter)：熵(entropy)：比热(specific heat)：,特征函数：弹性吉布斯自由能G 如果特征函数连续但一级导数不连续则相变是一级的，如果一级导数连续，但二级导数不连续，则相变是二级的。,将特征函数写为D

10、的各偶次幂之和：T0：Curie-Weiss Temperature,铁电理论II:铁电相变的微观理论从原子或分子机制来说明铁电体的铁电性质根据晶体结构测定和理论分析，可将铁电相变分为两种类型：(1)位移型:displacive 由于原子的非谐振动，其平衡位置相对于顺电相发生了偏移(2)有序无序型:order-disorder 多个平衡位置 顺电相原子或原子团在这些位置的分布是无序的，在铁电相它们的分布有序化(KH2PO4)BaTiO3 兼具两者特征,软模理论（位移型）：自发极化的出现联系于布里渊区中心某个光学横模的“软化”静态位移 集中注意对相变负责的晶胞中少数离子单势阱中的非谐振子 软模的

11、机制：短程排斥力和长程库仑力平衡,软模理论（有序无序型）：离子在双势阱中的运动序参量：氢的有序化程度,二能级系统：对称 反对称 隧穿频率 横场Ising模型,Ising Model,Suppose we have a lattice,with Ld lattice sites and connections between them.(e.g.a square lattice).On each lattice site,is a single spin variable:si=1.The energy is:where h is the parameter proportional to th

12、e magnetic fieldk is the coupling between nearest neighbors(i,j)k0 ferromagnetick0 antiferromagnetic.,微观理论的进一步发展:软模理论：位移型系统 晶格振动光学横模 有序无序系统 赝自旋波(粒子在双势阱中的运动)铁电相变的统一理论 振动电子理论,极化方式：不同晶格类型中局部电场与外加电场之间的关系有几种不同的类型，但仍是争论激烈至尽未解决的问题。“莫索蒂灾难”（1）克劳修斯-莫索蒂-洛伦兹模型（2）昂萨格模型“空间电荷”space charge电介质材料及介电性能P107束缚电荷 退极化场 静电

13、能 机械约束 应变、应力能 极化均匀程度与不稳定电畴domain 畴壁能domain wall总自由能取极小值的条件决定了电畴的稳定构型,极化反转的基本过程：1.新畴成核 2.畴的纵向长大 3.畴的横向扩张 4.畴的合并,介电响应：Dielectric Response电介质的本质特征：以极化的方式传递、存储、或记录电场的作用和影响 基本参量：极化率（电容率 permittivity）铁电体电容率的特点：数值大、非线性效应强、显著的温度和频率依赖性铁电体结构 缺陷 相变,铁电体的几个功能效应：压电效应：在某些晶体的特定方向施加压力，相应的表面上出现正或负的电荷，而且电荷密度与压力大小成正比。热

14、电效应：极化随温度改变的现象非线性光学效应、电光效应、光折变效应等,5.铁电物理学研究的新进展：（1）第一性原理的计算 BaTiO3和PbTiO3都有铁电性，晶体结构和化学方面 都与它们相同的SrTiO3却没有铁电性？（2）尺寸效应的研究 自发极化、相变温度和介电极化率等随尺寸变化的 规律，铁电体的铁电临界尺寸,(3)铁电液晶和铁电聚合物的基础和应用研究 手性分子组成的倾斜的层状C相（SC*相）液晶具 有铁电性。铁电液晶在电光显示和非线性光学方面 有很大吸引力。(4)集成铁电体的研究：铁电薄膜与半导体的集成 铁电随机存取存储器（FRAM）铁电场效应晶体管（FFET）铁电动态随机存取存储器（FD

15、RAM）红外探测与成像器件 超声与声表面波器件以及光电子器件等 铁电薄膜传感器 弛豫型铁电传感器,Pulsed Laser Deposition(PLD),Problems:1)Fatigue,2)Imprint Effect,Voltage shift phenomena,oxygen annealed(10 Torr),vacuum annealed(10-6)Torr,3)The polarization distribution aroundperiodic misfitdislocations(a)15-nm-(b)40-nm-thicks(001)PbTiO3 film on(00

16、1)LaAlO3 substrate,Atomic-Scale Structure of Ferroelectric Thin Films,1.Materials:SrBi2Ta2O9(SBT)Thin Films with(001)orientation2.Substrates:Pt/TiO2/SiO2/Si(100)3.Growing Method:Pulsed Laser Deposition(PLD),4)Compositionally Graded Ferroelectrics(Pb,La)TiO3 thin films on Pt/Ti/SiO2/Si substrates,Sim

17、ultaneous Ferroelectricity,Ferromagnetism,5.New material with new propertity-Ferroelectro-magnetic Materials,Examining Devices,1.Transverse Electron Microscopy(TEM)2.High-Resolution Transmission Electron Microscopy(HRTEM)3.Dielectric Response(frequency,temperature)4.Scanning Electron Microscopy(SEM)

18、5.Atomic Force Microscopy(AFM)6.XRD(X-Ray Diffraction),Piezoelectric properties and poling effect of Pb(Zr,Ti)O3 thick films,6.Possible Ferroelectric Chips-a disruptive technology,1)Volatile memory chips:lose the data they store when the power is turned off.Most common types of volatile memory are D

19、RAM and SRAM.2)Non-volatile memory chips:retain the data they store after the power is turned off.Most common types of volatile memory are flash and EEPROM.,3)DRAM(dynamic random access memory):high-density chips used in personal computers to store operating system and applications software.Store da

20、ta in the form of electric charge on capacitors,which needs to be refreshed thousands of times a second(hence,dynamic).4)SRAM(static random access memory):fast,relatively low-density memory used to store instructions for microprocessors or as a scratchpad in applications such as mobile phones.Needs

21、battery back-up to retain contents.,5).EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory):type of chip used for example in conventional smartcards.Needs a high voltage to program and erase,hence not suitable for portable,battery powered applications.6).Flash:high-density memory used in part

22、icular to store bulk data such as digital photographs and mobile phone system software.7).System-on-chip:sliver of silicon on which are integrated microprocessor,memory and input-output circuits.Increasingly used in consumer electronics to lower cost,reduce power consumption and increase flexibility

23、.,Thanks for your attention!,Nothing is Impossible!,（1）晶体形变（压力作用下的）可以产生电场（电荷极化）压电效应；（2）电场也可以使晶体发生形变逆压电效应,电致伸缩效应与逆压电效应的区别：（1）压电晶体在外电场作用下，由于逆压电效应而发生的形变；事实上，任何介质在外电场诱导极化的作用下，都会引起介质形变，但是这并非是逆压电效应。,电致伸缩效应与逆压电效应的共同点是：介质在外电场的作用下发生形变。,电致伸缩效应 vs 逆压电效应,三元系压电陶瓷,电致伸缩效应与逆压电效应的区别：（1）任何介质在外电场诱导极化的作用下，都会引起形变，即电致伸缩效

24、应；而逆压电效应是指压电晶体在外电场作用下发生的形变；（2）电致伸缩与外电场的平方成正比，并且与外加电场的方向无关；而逆压电效应所产生的形变与外加电场在弹性限度内成线性关系，并依赖于外电场的方向。,小半径大电荷离子的作用,Zr4+、Nb5+、Ti4+,TiO2具有大介电常数的起因,电介质各类极化建立的时间尺度,1电子位移极化 10-16-10-14 s2离子位移极化10-13-10-12 s3偶极子转向极化10-8-10-2 s4热离子位移极化10-2 s5空间电荷极化10-1-103 s6自发极化电畴随电场的转向时间长,压电效应示意图,加压力之前正负电荷中心重合,加压力之后正负电荷中心分开,

25、BaTiO3的晶格结构,TiO6八面体,铁电性的实质自发极化,结构相变到四方相以后晶格的参数改变，Ti4+离子沿着c轴方向发生位移，正负电荷中心偏移。,注意：晶格结构是四方相就会有正负电荷中心偏移，这是自发的。,石英晶体,晶体空间3维结构,Si-O四面体,铁电材料标志是电滞回线,J.Wang et al.Science-v299-p1719(2003),BiFeO3 thin film,BaTiO3的90度和180度铁电畴,石英晶格的Z平面投影,石英Z平面投影的电荷分布计算,注意晶胞的那个点的何种电荷过剩,BaTiO3的晶格结构和温度的关系,H.F.Kay and P.Vousden,Philos.Mag.40,1019（1949）,et al.APL-v77-p3547（2000）,BaTiO3的晶格结构和温度的关系,温度上升/下降？,铌酸锂和钽酸锂晶体,晶格结构,锆钛酸铅,类系,三元系压电陶瓷,类系,The End,