铁电体及其相变完.pptVIP

第四章 电介质物理 * §3 铁电体的晶体结构及分类 §5 铁电相变的热力学理论 §4 几种典型的铁电有序相 §1 电介质的介电极化机制 §2 电介质的介电驰豫 §4.5 铁电相变的热力学理论 铁电体在某一温度发生从非铁电相到铁电相的转变，或者从铁电相到另一个铁电相的转变，伴随结构的转变。晶体从一种结构转变为另外一种结构，热力学称成为相变。 铁电相变属于相变问题，可用热力学方法分析。 铁电相变的实质是出现自发极化，在一个相中为零，而在令一个相中不为零。 选取自发极化为序参量。 一、相变 相变是多方面因素相联系的合作现象，系统的某个参量发生连续变化时，系统的结构和物理性质发生整体的变化，即发生相变。 相变——物质从一个相转变为另一个相的过程。 相变现象丰富多彩，如大海里的万顷碧波，初秋早晨湖面上的袅袅青烟和高山上的缕缕薄雾，夏天黄昏时万里云空中的朵朵彩云及冬日雪后琳琅满目的雪花和冰晶便是水的各种相变。由此可见自然界中相变的千姿百态之一斑。千姿百态的水。 Landau相变理论：对称性破缺和序参量 2.相变的描述 晶态转变——固态到液态 磁相变——顺磁到铁磁，顺磁到反铁磁态 铁电相变——顺电态到铁电态 超导相变……. 当宏观物理环境（如：温度或压力）变化时物质结构的对称性发生变化或消失，称这种现象为对称破缺。 相变发生时，粒子内不同种类的相互作用通过对称破缺导致不同的有序相。 为描述相变中系统对称性的变化，为描述其对称元素的变化，引入一个物理量η，叫序参量。 η用来标记相变温度以下的有序相。 系统的对称性在η为非零时发生，是突变的；序参量的变化则有两种。 3.相变级次 一级相变：序参量出现不连续的跳变。 二级相变：序参量在相变点是连续变化的，也称连续相变。 二、铁电相变的宏观理论 BaTiO3：对称性变化，从立方相到四方相；电极化强度为序参量，从零过渡到有限值。 SrTiO3：对称性变化，从立方相到四方相；扭转角度作为序参量，序参量从零逐渐变大。 ——一级相变 ——二级相变 E=0时的自由能 1.二级铁电相变 当系统不受外力，恒温条件下,自发极化沿某一方向 由固体电介质的热力学关系： 保证D增加时，G1出现自由能极小值 相变为二级相变； 相变为一级相变； 正、负关系到相变的类型 广义力 广义位移 二级相变自由能 时，G1只有一个极小值， D=0对应顺电相。 时，D=0对应G1极大值， 顺电相不稳定；稳定态的电位移不等于零，对应铁电相。 Devonshire假设： 在居里点附近系数γ,δ不随温度变化，但系数 具有温度特性，在居里温度以上为正；居里温度以下为负。 当 时 二级相变， 当TTC时，G1取极小值，得到自发极化为： 居里温度以上顺电相 铁电性的一般热力学方程 遵从居里-外斯定律 居里-外斯常数的倒数 当TTC时，G1取极小值，得出自发极化为： TC低温附近时，当TC-T不太大时，近似为： a）外场E=0时，上式为： b）外场 时，得到： 可得到如下结论： 自发极化： 居里-外斯定律： 2.一级铁电相变 相变为一级相变； 令 则，自由能函数 介电方程： G1(D)的极值位置可由下列方程确定： 一级相变铁电体在各个温度下的态函数G1 G1(D)有五个极值， 都是极小值，表明铁电相和顺电相可以共存。 其中G1(Ds)， G1(0)中最小者为稳定相，另一相为亚稳态相。 哪一个为稳定相与热过程有关。 一级相变铁电体在各个温度下的态函数G1 D=0, 顺电相 D=Ds, 铁电相 一级相变临界行为 和 a.在T=TC处，发生一级相变，特征为顺电相和铁电相可以共存。 b.存在热滞现象。 降温时，顺电相可滞后到T=T0时发生转变为铁电相。 升温时，铁电相可滞后到T=T1时发生转变为顺电相。 c. 在零场下，自发极化强度： 一级铁电相变，自发极化强度在转变点Tc上发生间断。 d.在弱电场下，介电性能： 在顺电相， 在铁电相，E=0时，D=±Ds, 在居里点上系统的 发生间断， 居里点两侧， 曲线斜率之比为-8。 结论： 3.电场对铁电相变的影响 居里温度的确定 介电常数随温度的关系 极化强度随温度的关系 ——出现峰值温度 ——极化强度消失温度 TC TC 电场对二级相变影响 据压电方程： 时，D总为单值函数 时，D总为单值函数 时，D程多值函数，表现出电滞回线行为 时，D始终为单值函数，不表现出电滞回线行为。 当处于顺电态时，外加电场不能诱导铁电相。 电场对一级相变影响 在稍高于TC，足够高的电场可以诱发铁电相，导致双电滞回线 ——场致相变