鐵電材料

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）等。

電光晶體：折射率在外電場作用下發生改變的材料。例如：Q開關等。鐵電材料，是熱釋電材料中的一類。其特點是不僅具有自發極化，而且在一定溫度範圍內，自發極化偶極矩能隨外施電場的方向而改變。它的極化強度P與外施電場強度E的關係曲線如圖所示，與鐵磁材料的磁通密度與磁場強度的關係曲線（B-H曲線）極為相似。極化強度P滯後於電場強度E,稱為電滯曲線。電滯曲線是鐵電材料的特徵。即當鐵電晶體二端加上電場E后，極化強度P隨E增加沿OAB曲線上升，至B點后P隨E的變化呈線性(BC線段)。E下降，P不沿原曲線下降，而是沿CBD曲線下降。當E為零時，極化強度P不等於零而為Pr，稱為剩餘極化強度。

只有加上反電場EH時P方等於零，EH稱為鐵電材料的矯頑電場強度。CBDFGHIC構成整個電滯曲線。鐵電晶體是由許多小區域(電疇)所組成，每個電疇內的極化方向一致，而相鄰電疇的極化方向則不同。從宏觀來看，整個晶體是非極化的，呈中性。在外電場作用下，極化沿電場方向的電疇擴大。當所有電疇都沿外電場方向，整個晶體成為單疇晶體，即到達圖上飽和點B，當外電場繼續增加，此時晶體只有電子和離子極化，與普通電介質一樣，P與E成直線關係（BC段），延長BC直線交P軸於T，相應的極化強度Ps即為該晶體的自發極化強度。

在某一溫度以上，鐵電材料的自發極化即消失，此溫度稱為居里點。它是由低溫的鐵電相改變為高溫的非鐵電相的溫度。典型鐵電材料有：鈦酸鋇（BaTiO3）、磷酸二氫鉀(KH2PO4)等。過去對鐵電材料的應用主要是利用它們的壓電性、熱釋電性、電光性能以及高介電常數。由於新鐵電材料薄膜工藝的發展，鐵電材料在信息存儲、圖像顯示和全息照相中的編頁器、鐵電光閥陣列作全息照相的存儲等已開始應用。

早在遠古時期，人們就知道某些物質具有與溫度有關的自發電偶極距，因為它們被加熱時具有吸引其它輕小物體的能力。1824年Brewster觀察到許多礦石具有熱釋電性。1880年約·居里和皮·居里發現當對樣品施加應力時出現電極化的現象。但是，早期發現的熱釋電體沒有一個是鐵電體。在未經處理的鐵電單晶中，電疇的極化方向是雜亂的，晶體的凈極化為零，熱釋電響應和壓電響應也十分微小，這就是鐵電體很晚才被發現的主要原因。

最早的鐵電效應是在1920年由法國人Valasek在羅謝爾鹽中發現的，這一發現揭開了研究鐵電材料的序幕。在1935年Busch發現了磷酸二氫鉀KHPO———簡稱KDP，其相對介電常數高達30，遠遠高於當時的其它材料。1940年之後，以BaTiO為代表的具有鈣鈦礦結構的鐵電材料陸續被發現，這是鐵電歷史上里程碑式的時期。

直至20世紀80年代，隨著鐵電唯象理論和軟膜理論的逐漸完善，鐵電晶體物理內涵的研究趨於穩定。20世紀80年代中期，薄膜製備技術的突破為製備高質量的鐵電薄膜掃清了障礙，並且近年來隨著對器件微型化、功能集成化、可靠性等要求的不斷提高，傳統的鐵電塊體由於尺寸限制已經不能滿足微電子器件的要求。鐵電器件在向薄膜尺寸量級過渡的同時又與半導體工藝結合，研究者們迎來了集成鐵電體的時代。

所有的鐵電材料都同時具備鐵電性和壓電性。鐵電性是指在一定溫度範圍內材料會產生自發極化。由於鐵電體晶格中的正負電荷中心不重合，因此即使沒有外加電場，也能產生電偶極矩，並且其自發極化可以在外電場作用下改變方向。當溫度高於某一臨界值時，其晶格結構發生改變，正負電荷中心重合，自發極化消失，這一溫度臨界值稱為居里溫度(Tc)。壓電性是實現機械能－電能相互轉換的一種性質。若在某一方向上給材料施加外力使材料發生形變，其內部會發生極化並在表面產生電荷，這就是壓電效應；相反，若給材料施加電場則材料會發生形變而產生機械力，這就是逆壓電效應。所有的鐵電材料都具備上述2種特性，這是構建機電系統的材料基礎之一。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，從而出現電滯回線。

鐵晶體管是電介質中一類特別重要的介晶體管。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、負電荷重心不重合的電極化方式傳遞和記錄電的影響。而鐵晶體管是——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。

極化強度P和外電場E間的關係構成電滯回線。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，可是對於鐵晶體管，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，只能透過電滯回線的測定（或介電係數的測定）來判斷。

電滯回線表示鐵晶體管中存在domain。鐵晶體管通常是由許多稱為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回線，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，這相當於圖於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上所得的截距稱為飽和極化強度（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。

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，以電滯回線中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，數量級達到～，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。

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相是無序到有序的相地。以KDP為代表的氫鍵型鐵晶體管，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，從順電相到鐵電相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。

目前按產生感測、驅動功能的機制,鐵電陶瓷可分為3種

層狀鐵電陶瓷

研究較多，並且用於製備鐵電陶瓷材料的是鈣鈦礦結構的鋯鈦酸鉛。

簡稱PZT系列。此系列的突出優點是剩餘極化較大Pr大約10~35μC/cm、熱處理溫度較低（600℃左右）。但是隨著研究的深入人們發現在經過累計的極化反轉之後PZT系列性能退化，主要表現在出現高的漏電流和較嚴重的疲勞問題另外鉛的揮發對人體也有害。因此研究和開發性能優良且無鉛的鐵電陶瓷具有重要的現實意義。而鉍系層狀鈣鈦礦結構材料屬於鐵電材料類且性能較好又不含鉛，因此受到人們的廣泛關注。該材料通式是(BiO)ABO)其中A為+1、+2或+3價離子，B為+3、+4或+5價離子，n為類鈣鈦礦層中氧八面體BO層數，其中類鈣鈦礦層(ABO)與鉍氧層(BiO)交替排列。SrBiTiO簡稱SBTi，n=4、n=5或n=7，陶瓷是鉍系層狀鈣鈦礦結構鐵電陶瓷材料。研究發現，其剩餘極化較大單晶極化強度方向沿a或b軸時2Pr=58μC/cm2

[1]熱穩定性能也比較好，居里溫度為520℃。

[2]另外SBTi陶瓷又是非鉛系列材料是一種比較有前途的鐵電陶瓷材料。但是由於Bi容易揮發，在材料製備和使用過程中容易成鉍空位，從而形成氧空位，影響材料的抗疲勞性能和鐵電性能。為了滿足實際應用的需要，需要提高和改進該系列材料的鐵電性能。因此，國內外研究者在改變製備途徑、製備方法以及調整材料的組分等方面作了不少研究。

弛豫型鐵電陶瓷

弛豫型鐵電體（relaxationferroelectrics）簡稱RF。是指順電—鐵電轉變屬於彌散相變的一類鐵電材料？它同時具有鐵電現象和弛豫現象。與典型鐵電體相比，弛豫型鐵電體的一個典型特徵是復介電常數，ε*(ω)=ε'(ω)−ε"(ω)，ω為角頻率的實部，ε'(ω)隨溫度變化呈現相對寬且變化平緩的峰，其最大ε'(ω)值對應的溫度Tm隨ω的增加而向高溫移動。該特徵與結構玻璃（structureglass）化轉變、自旋玻璃（spinglass）化轉變的特徵極為相似。所以，弛豫型鐵電體又被稱為極性玻璃（polarglass），相應的弛豫鐵電相變又被稱為極性玻璃化轉變。迄今為止，雖然人們對弛豫鐵電相變進行了大量的實驗測量和理論探索，但是仍然沒有被普遍接受的弛豫鐵電相變模型所以對弛豫鐵電相變機制的研究一直是該領域研究的熱點問題之一。另外，現有的一些弛豫鐵電體具有優良的鐵電、壓電和熱釋電性能，因而具有廣泛而重要的應用。

因此，對現有弛豫鐵電體性能的優化以及新型弛豫鐵電體的合成將具有重要的潛在應用價值，同時也是該領域的另一熱點問題。SrTiO3是一種無污染的功能陶瓷材料，因此以SrTiO3為基礎合成的新材料有產業的優勢。研究發現在SrTiO3中引入Bi離子產生了典型的鐵電弛豫行為，並對其進行了介電譜測量，但是最低測量頻率為100Hz。而一般認為，玻璃化轉變的特徵時間50~102s，所以在更低的頻率範圍內對極性玻璃體的介電譜測量，無疑對理解其玻璃化轉變機制是有價值的。

反鐵電陶瓷

上世紀80年代後期具有大電致應變和大機電轉換能力的PZST反鐵電陶瓷作為換能器或大位移致動器有源材料方面的研究工作逐步出現。美國Pennsylvania大學材料研究所開展了PZST反鐵電陶瓷作為大位移致動器有源材料應用的可行性研究工作，針對“方寬”型電滯回線的PZST反鐵電陶瓷進行了一系列改性優化，降低相變場強，增大縱嚮應變數，最大縱嚮應變數達到0.85%，相變場強為48kV/cm，電滯寬度為20kV/cm。指出“方寬”型電滯回線的反鐵電陶瓷在交變電場下表現出嚴重的電滯損耗，因而不適於交變狀態下應用。

鐵電性:NVFRAM\FFET　介電性：大容量電容\可調諧微波器件\PTC熱敏元件　電光效應：光開關\光波導\光顯示器件　聲光效應:聲光偏轉器　光折變效應：光調製器件\光信息存儲器件　非線性光學效應：光學倍頻(BBO\LBO)器件\參量振蕩\相共軛器件　壓電性：壓電感測器\換能器\SAW\馬達　熱釋電效應：非致冷紅外焦平面陣列。

一般認為，鐵電體的研究始於1920年，當年法國人發現了羅息鹽酒石酸鉀鈉，場·的特異的介電性能，導致了“鐵電性”概念的出現。迄今鐵電研究可大體分為四個階段’。第一階段是1920-1939年，在這一階段中發現了兩種鐵電結構，即羅息鹽和系列。第二階段是1940-1958年，鐵電維象理論開始建立，並趨於成熟。第三階段是1959—1970年，這是鐵電軟模理論出現和基本完善的時期，稱為軟模階段。第四階段是80年代至今，主要研究各種非均勻系統。到目前為止，己發已的鐵電晶體包括多晶體有一千多種。

從物理學的角度來看，對鐵電研究起了最重要作用的有三種理論，即德文希爾(Devonshire)等的熱力學理論,Slater的模型理論,Cochran和Anderson的軟模理論。鐵電體的研究取得不少新的進展，其中最重要的有以下幾個方面。

1、第一性原理的計算。現代能帶結構方法和高速計算機的發展發展對鐵電性起因的研究變為可能。通過第一性原理的計算，對鐵疇和等鐵電體，得出了電子密度分佈，軟模位移和自發極化等重要結果，對闡明鐵電性的微觀機制有重要作用。

2、尺寸效應的研究。隨著鐵電薄膜和鐵電超微粉的發展，鐵電尺寸效應成為一個迫切需要研究的實際問題。人們從理論上預言了自發極化、相變溫度和介電極化率等隨尺寸變化的規律，並計算了典型鐵電體的鐵電臨界尺寸。這些結果不但對集成鐵電器件和精細複合材料的設計有指導作用，而且是鐵電理論在有限尺寸條件下的發展。

3、鐵電液晶和鐵電聚合物的基礎和應用研究。1975年MEYER發現，由手性分子組成的傾斜的層狀相‘相液晶具有鐵電性。在性能方面，鐵電液晶在電光顯示和非線性光學方面很有吸引力。電光顯示基於極化反轉，其響應速度比普通絲狀液晶快幾個數量級。非線性光學方面，其二次諧波發生效率已不低於常用的無機非線性光學晶體。

聚合物的鐵電性在年代末期得到確證。雖然的熱電性和壓電性早已被發現，但直到年代末才得到論證，並且人們發現了一些新的鐵電聚合物。聚合物組分繁多，結構多樣化，預期從中可發掘出更多的鐵電體，從而擴展鐵電體物理學的研究領域，並開發新的應用。

4、集成鐵電體的研究。鐵電薄膜與半導體的集成稱為集成鐵電體，廣泛開展了此類材料的研究。鐵電存貯器的基本形式是鐵電隨機存取存貯器。早期以為主要研究對象，直至年實現了的商業化。與五六十年代相比，當前的材料和技術解決了幾個重要問題。一是採用薄膜，極化反轉電壓易於降低，可以和標準的硅或電路集成；二是在提高電滯回線矩形度的同時，在電路設計上採取措施，防止誤寫誤讀；三是疲勞特性大有改善，已制出多次反轉仍不顯示任何疲勞的鐵電薄膜。

在存貯器上的重大應用己逐漸在鐵電薄膜上實現。與此同時，鐵電薄膜的應用也不局限於存儲領域，還有鐵電場效應晶體管、鐵電動態隨機存取存貯器等。除存貯器外，集成鐵電體還可用於紅外探測與成像器件，超聲與聲表面波器件以及光電子器件等。可以看出，集成薄膜器件的應用前景不可估量。

在鐵電物理學內，當前的研究方向主要有兩個一是鐵電體的低維特性，二是鐵電體的調製結構。鐵電體低維特性的研究是應對薄膜鐵電元件的要求，只有在薄膜等低維繫統中，尺寸效應才變得不可忽略腳一之一化在表面處的不均勻分佈將產生退極化場，對整個系統的極化狀態產生影響。表面區域內偶極相互作用與體內不同，將導致居里溫度隨膜厚而變化。薄膜中還不可避免地有界面效應，薄膜厚度變化時，矯頑場、電容率和自發極化都隨之變化，需要探明其變化規律並加以解釋。

鐵電超微粉的研究也逐漸升溫。在這種三維尺寸都有限的系統中，塊體材料的導致鐵電相變的布里淵區中心振模可能無法維持，也許全部聲子色散關係都要改變。庫侖作用將隨尺寸減小而減弱，當它不能平衡短程力的作用時，鐵電有序將不能建立。

高性能的鐵電材料是一類具有廣泛應用前景的功能材料，從目前的研究現狀來看，對於具有高性能的鐵電材料的研究和開發應用仍然處於發展階段。研究者們選用不同的鐵電材料進行研究，並不斷探索製備工藝，只是到目前為止對於鐵電材料的一些性能的研究還沒有達到令人滿意的地步。比如，用於製備鐵電複合材料的陶瓷粉體和聚合物的種類還很單一，對其複合界面的理論研究也剛剛開始，鐵電記憶器件抗疲勞特性的研究還有待發展。總之，鐵電材料是一類具有廣闊發展前景的重要功能材料，對於其特性的研究與應用還需要我們不斷的研究與探索，並給予足夠的重視。