铁电材料的研究与开发进展(20092187,20092189,20092226).doc

铁电材料的研究与开发进展 王杨1，霍旭旭2，曾牡丹3 （1.石家庄铁道大学 2.石家庄铁道大学 大学 ） 摘要：铁电几种具有代表性的铁电陶瓷材料的研究现状，以及人们在研究过程中产生的新问题。这几种材料主要包括层状铁电陶瓷，弛豫型铁电陶瓷，含铅型铁电陶瓷，无铅型铁电陶瓷，以及反铁电陶瓷材料。对未来的研究与应用前景进行了展望。关键词： 1 引言铁电材料是一类重要的功能材料．它具有介电性、压电性、热释电性、铁电性以及电光效应、声光效应、光折变效应和非线性光学效应等重要特性，可用于制作铁电存储器、热释电红外探测器、空间光调制器、光波导、介质移相器、压控滤波器等重要的新型元器件。这些元器件在航空航天、通信、家电、国防等领域具有广泛的应用前景。 铁电陶瓷拥有优良的电学性能，在一定温度范围内存在自发极化，当高于某一居里温度时，自发极化消失，铁电相变为顺电相；介电常数随外加电场呈非线性变化。利用铁电陶瓷的高介电常数可制作大容量的陶瓷电容器；利用其压电性可制作各种压电器件；利用其热释电性可制作红外探测器；通过适当工艺制成的透明铁电陶瓷具有电控光特性，利用它可制作存贮，显示或开关用的电控光特性，其具有很高的应用前景。 2 铁电材料是指材料的晶体结构在不加外电场时就具有自发极化现象，其自发极化的方向能够被外加电场反转或重新定向。铁电材料的这种特性被称为“铁电现象”或“铁电效应”。　　早在远古时期，人们就知道某些物质具有与温度有关的自发电偶极距，因为它们被加热时具有吸引其它轻小物体的能力。1824年Brewster观察到许多矿石具有热释电性。l880年约·居里和皮·居里发现当对样品施加应力时出现电极化的现象。但是，早期发现的热释电体没有一个是铁电体。在未经处理的铁电单晶中。电畴的极化方向是杂乱的，晶体的净极化为零，热释电响应和压电响应也十分微小，这就是铁电体很晚才被发现的主要原因。直到l920年，法国人Valasek发现了罗息盐(酒石酸钾钠，NaKCH4O·4H2o)特异的介电性能，才掀开了铁电体的历史。 罗息盐时期—发现铁电性 罗息盐即酒石酸钾钠( NaKC4H406·4H20)是上千种铁电体中最早被发现的晶体之一．它存在上、下两个居里点，297K和255K。在这两个温度之间，它处于铁电相。大于297K或小于255K时处于顺电相。六方结构。 KDP时期—铁电热力学理论 KH2PO4的值高达30在理论研究方面，Müller 首先将热力学理论应用于铁电体。VL Ginsburg将郎道（Landau）相变理论应用于KH2PO4型铁电体， 并迈出了将这一理论应用于更一般情况的第一步德文希尔（De-Vonshire）将其进行完善，发展为今天仍之有效的郎道-德文希尔理论 3、钙钛矿时期—铁电软模理论 钛酸钡（BaTiO3）钛酸钡陶瓷是目前应用最广泛和研究较透彻的一种铁电材料。钛酸钡是第一个不含氢的氧化物铁电体，由于其性能优良，化学上，热学上的稳定性好，工艺简便，很快被用作介电和压电元件。 钙钛矿结构：有BaTiO3 ( 钛酸钡) 、KNbO3 、KTaO3 、LiNbO3PZT(Pb(Zr Ti )03) 、 PLZT(铅、镧、锆、钛)，至 20 世纪 50 年代末，大约有 100 种化合物被发现具有铁电性。截至1990 年，已知的铁电体约为 250 种铁电薄膜及器件时期—小型化（铁电液晶、聚合物复合材料、薄膜材料和异质结构等非均匀系统 ） 虽然二战时BaTiO就已经用于器件中．且随后铁电材料被广泛应用于生产多种器件，但是，90年代以前并没有器件真正用到铁电材料的铁电性，而是利用铁电材料的其他性质．主要是压电性和热释电性。80年代中期薄膜制备技术取得了突破性进展，基本扫清了制备高质量铁电薄膜的技术障碍。由于铁电薄膜具有介电性、压电性、热释电性、铁电性以及电光效应、声光效应、光折变效应和非线性光学效应等重要特性，人们单独利用其中某一性质或综合利用多种特性研制出了众多的铁电薄膜器件 　　随着整机和系统向着小型化、轻量化方向发展，微电子、光电子、微电子机械等对铁电材料提出了小型化、薄膜化、集成化等要求。在此背景下，铁电材料与工艺和传统的半导体材料与工艺相结合而形成了一门新兴的交叉学科一集成铁电学。同时，铁电材料及器件的研究发生了两个重要的转变：一是由单晶器件向薄膜器件发展：二是由分立器件向集成化器件发展。 铁电陶瓷能产生铁电现象的陶瓷。 铁电陶瓷制备 固相反应法是制备功能陶瓷最成熟的方法，主要依靠固相扩散传质进行反应，通常具有以下特点：固相反应一般包括物质在相面上的反映和物质迁移两个过程；一般需要在高温下进行；整个固相反应速度由最慢的速度所控制。 固相反应法制备铁电陶瓷的工艺流程 配料按制备0.1moL钛酸钡陶瓷计算原料的质量。按照以上计算值，用电子天平