1、明德 博學守正 出奇鐵 電 壓 電 材 料 與 器 件鐵電壓電材料與器件鐵電壓電材料與器件總復習總復習主要內容主要內容一晶體結構及對稱性二介電性質三鐵電效應四彈性性質五壓電效應六熱釋電效應七光學性質電介質材料電介質材料熱釋電材料熱釋電材料聲表面波傳感器聲表面波傳感器動態動態隨機隨機存儲器存儲器聲光調制器聲光調制器全息存儲器全息存儲器紅外探測器紅外探測器電光調制器電光調制器非揮發性存儲器非揮發性存儲器溫度溫度傳感器傳感器電介質材料的性能和應用電介質材料的性能和應用一、晶體結構及對稱性一、晶體結構及對稱性1.1 晶體晶體晶體結構晶體結構雪花雪花晶體：晶體：原子按一定的周期排列規則的固體，具有周期性

2、或平移對稱性，也叫長程有序，例如：天然的巖鹽、水晶以及人工的半導體鍺、硅單晶。 自范性：晶體能自發地形成封閉的規則的幾何多面形 晶面角守恒：同一晶體，任兩個對應晶面的夾角不變 均勻性；晶體中任意兩點的物理性質相同； 對稱性；在某些特定方向上異向同性； 各向異性；不同帶軸方向上晶體的物理性質不同； 解理性：晶體具有沿某些確定方位的晶面劈裂的性質； 固定的熔點：特定溫度開始熔化，熔化過程溫度不變。1.2 晶體的宏觀特性晶體的宏觀特性晶體的宏觀特性是由晶體內部結構的決定的，是微觀特性的反應。1.3 晶體的微觀特征晶體的微觀特征平移對稱性平移對稱性：在晶體中，相隔一定距離，總有完全相同的原子排列出現。

3、這種呈現周期性的整齊排列是單調的，不變的。也稱為晶體的周期性。晶體結構空間點陣基元1.4 七大晶系的形成和轉化七大晶系的形成和轉化1.4 1.4 七大晶系、十四種布拉菲格子七大晶系、十四種布拉菲格子1.1.三斜晶系三斜晶系: : , cba 090cba2.2.單斜晶系單斜晶系: :3.3.三角晶系三角晶系: :0012090 cba簡單三斜簡單三斜( (1) )簡單單斜簡單單斜( (2) )底心單斜底心單斜( (3) )三角三角( (4) )4.4.正交晶系正交晶系: :090 cba簡單正交簡單正交( (5) )，底心正交，底心正交( (6) )體心正交體心正交( (7) )，面心正交，面

4、心正交( (8) )5.5.四方晶系四方晶系: :090 cba簡單四角簡單四角( (9) )，體心四角，體心四角( (10) )6.6.六角晶系六角晶系: :0012090 cba六角六角( (11) )7.7.立方晶系立方晶系: :090 cba簡立方簡立方( (12) )，體心立方，體心立方( (13) )面心立方面心立方( (14) )v能使對稱圖形復原的動作稱為對稱操作對稱操作，例如，對稱軸的旋轉，對稱面的反映，對稱中心點的反演（或倒反）等。v進行對稱操作時，還必須依賴于一定的幾何元素，這些幾何元素在對稱操作過程中保持不變，如對稱中心、對稱面、對稱軸等，這些幾何元素又稱為對稱元素對稱

5、元素 晶體的八個基本對稱元素晶體的八個基本對稱元素晶體的對稱性中有八種基本的對稱操作：i， m ，1，2，3，4，6， 。 4AA i中心反演AA 晶面反映旋轉晶體的對稱性中有八種基本的對稱操作：i， m ，1，2，3，4，6， 。 41.6 點群點群 晶體中，對稱元素（或對稱操作）可以同時存在集合叫做“對稱群”。 對稱操作總是有一點保持不動，不包括平移對稱性的對稱元素的集合叫做“點群”。 八種基本對稱元素共有32種組合方式，即32種點群。二、介電性質二、介電性質2.1 電介質材料電介質材料定義定義: : 電介質材料一般是在外電場作用下可以建立極化的電介質材料一般是在外電場作用下可以建立極化的

6、一切物質，一般電阻率大于一切物質，一般電阻率大于10101010/cm/cm，是相對于，是相對于金屬材料和半導體材料而區分的。金屬材料和半導體材料而區分的。特點特點: : 內部沒有自由移動的電荷，只有束縛電荷，在電內部沒有自由移動的電荷，只有束縛電荷，在電場作用下要產生極化或極化狀態改變，它以感應場作用下要產生極化或極化狀態改變，它以感應的方式而不是以傳導的方式傳遞電的作用。的方式而不是以傳導的方式傳遞電的作用。常見的三種極化機制：常見的三種極化機制： 1.電子位移極化電子位移極化 2.離子位移極化離子位移極化 3.固有偶極矩取向極化固有偶極矩取向極化2.2 電子位移極化電子位移極化在電場作用

7、下，介質中的原子或離子的正負電荷中心不重合產生感應偶極矩，稱為電子位移極化。PE電子云電子云原子核原子核2.3 離子位移極化離子位移極化在電場作用下，正負離子產生相對位移而產生感應偶極矩，稱為離子位移極化。 EP2.4 2.4 取向極化取向極化組成介質的分子為有極分子，無外電場作用時，固有偶極矩無規則取向，偶極矩之和等于零。有外電場時，固有偶極矩將轉向并沿電場方向排列而產生凈偶極矩，稱為取向極化。PH2O分子2.5 介電性質介電性質極化強度：單位體積內的電偶極矩的矢量和。 單位：C/m2 或 C/m2 =Pcos=Pn ：極化電荷面密度 Pn：極化強度在表面元的法線方向分量pPVEDEPPED

8、r000 ，各向同性與各向異性電介質的介電常數矩陣各向同性與各向異性電介質的介電常數矩陣zyxzyxEEE000000DDD各向同性電介質1個獨立的介電常數zyx332313232212131211zyxEEEDDD各向異性電介質6個獨立的介電常數，2.6 介電常數與對稱性：介電常數與對稱性：4次旋轉軸次旋轉軸Z 軸是四次軸，即表示當晶體繞Z軸轉90、180 或270 后，晶體的性質保持不變。331111000000原坐標系：新坐標系：DE DE 具有對稱性的意義： 111213212223313233xaaaxyaaayzaaaz 或：XA X 電場的變換：電位移的變換：EA E DA D

9、DE A DA E AE A E 1AA 仍以4點群為例說明。變換矩陣為：具有對稱性的意義：1AA 010A100001 1010A100001 111213122223132333121113221223221223121113231333231333010010100100001001010100001 111213221223122223121113132333231333111133000000 對稱性要求4點群介電常數的形式還可以采用“足標代換法”來確定晶體的獨立介電常數。設轉動前，晶體的坐標為o-xyz，繞z軸轉90后，晶體的坐標為o-xyz。新舊坐標軸之間的關系為： xy，y-x

10、，zz用（1、2、3）來代表（x、y、z）有： 12，2-1，33 于是有：1122，2211，3333， 12-21，1323，23-13 z軸度旋轉軸：足標變化：繞z軸旋轉90后 ，xy, y-x, zz, 即 12, 2 -1,3390111213222123221223222311131113333333orotation 旋轉后性質保持不變（對稱性的要求） 330110011只適用于三個晶軸互相垂直的晶系：正交晶系，四方晶系和立方晶系。不能應用于其它晶系：三斜晶系，單斜晶系，三角晶系，六角晶系。坐標變換法可以應用于確定任何晶系的獨立的介電常數的數目。2.9 靜態介電常數與動態介電常數

11、靜態介電常數與動態介電常數在靜電場下測得的介電常數稱為靜態介電常數。在交變電場下測得的介電常數稱為動態介電常數。動態介電常數的大小與測量頻率有關。2.10 極化弛豫極化弛豫 極化弛豫：當電介質開始受靜電場作用時，要經過一段時間后，極化強度才能達到相應的數值的現象，所經過的時間稱為弛豫時間。 電子位移極化弛豫時間約10-15s,離子位移極化的很短10-12s, 取向極化的弛豫時間較長1 10-10s，所以極化弛豫主要是取向極化造成的。 當電介質受到交變電場的作用時，由于電場不斷在變化，所以電介質中的極化強度也要跟著不斷變化，即極化強度和電位移均將隨時間作周期性的變化。2.11 介電損耗介電損耗

12、如果交變電場的頻率足夠低，取向極化能跟得上外加電場的變化，這時電介質的極化過程與靜電場作用下的極化過程沒有多大的區別。 如果交變電場的頻率足夠高，電介質中的極化強度就會跟不上外電場的變化而出現滯后，從而引起介電損耗。 介電損耗，就是在某一頻率下供給介質的電能，其中有一部分因強迫固有偶極矩的轉動而使介質變熱，即一部分電能以熱的形式而消耗。反映了微觀極化的弛豫過程。 三、鐵電性三、鐵電性3.1 鐵電體鐵電體 鐵電體的定義鐵電體的定義： 具有自發極化自發極化且自發極化矢量在外電場下可以翻轉翻轉的電介質材料。鐵電體的特性鐵電體的特性： 1. 電滯回線 2. 居里溫度 3. 臨界特征 在沒有外加電場作用

13、下，正負電荷重心不重合而呈現電偶極矩的現象。3.2 自發極化的產生自發極化的產生結構相變結構相變位移型鐵電體位移型鐵電體3.3電滯回線電滯回線自發極化強度自發極化強度 Ps剩余極化強度剩余極化強度Pr矯頑電場矯頑電場 Ec電滯回線電滯回線電滯回線：電滯回線：極化強度與外電場之間表現為滯后關系， 是判斷材料是否具有鐵電性的重要依據。 PE+EC+Pr- EC- Pr-PS+PS極化強度：單位體積內的電偶極子，單位C/m2 或C/cm23.4 居里溫度居里溫度居里溫度：順電相到鐵電相的轉變溫度。順電相順電相： 居里溫度以上，不具有鐵電性的相。TCT3.5 臨界特征臨界特征臨界特征臨界特征： 鐵電體

14、的介電、彈性、光學和熱學性質等在 居里溫度附近都要出現反常現象反常現象。正常鐵電體正常鐵電體-50050100 Temperature (oC)Dielectric constant 100 Hz 1 kHz 10 kHz 100 kHz 1000 kHz 弛豫鐵電體弛豫鐵電體3.6 鐵電疲勞鐵電疲勞Nature , 401,682(1999)nature materials, 3,365(2004)PZTBLT疲勞：在多次開關（極化翻轉）后鐵電材料中的可翻轉疇減疲勞：在多次開關（極化翻轉）后鐵電材料中的可翻轉疇減少、剩余極化強度少、剩余極化強度P Pr r 下降的現象下降的現象。鐵電晶體在沒

15、有外電場和外力作用下從順電相過渡到鐵電相時，將出現至少兩個等價的自發極化方向，以便使晶體的總自由能最小。每一個極化方向相同的小區域稱為鐵電疇，分離電疇的邊界稱為疇壁疇壁。3.9 疇結構形成原因疇結構形成原因180 疇疇 形成形成180 疇有利于降低退極化能疇有利于降低退極化能。 形成形成90 疇有利于降低應變能。疇有利于降低應變能。3.10 BaTiO3的電疇與對稱性的電疇與對稱性三方相（三方相（3m）T-80 沿沿自發極化自發極化對稱等效方向對稱等效方向8個個,疇間夾角為疇間夾角為71 、109 和和180 。立方相（立方相（m3m）T1206個個方向方向四方相（四方相（4mm）0T120沿

16、沿自發極化自發極化對稱等效方向對稱等效方向6個個180 疇和疇和90 疇疇正交相（正交相（mm2）-80 T0沿沿自發極化自發極化對稱等效方向對稱等效方向12個個疇 間 夾 角 為疇 間 夾 角 為 6 0 , 90 120 和和180 。3.11 鐵電疇的觀察鐵電疇的觀察電疇結構觀察方法：電疇結構觀察方法： 光學技術腐蝕技術粉末沉淀法凝霧法液晶顯示技術 熱電技術 X射線技術 電子顯微鏡觀察 高分辨透射電鏡 電子全息術 Domain structures of CBN single crystal (Dark field images)C.J. Lu et al., Appl. Phys. L

17、ett. 88, 201906(2006)疇結構的觀察 TEM暗場像C.L.Jia et al., Nat. Mater. 7,57(2008)HRTEM image of PZT films疇結構的觀察 TEM高分辨像原位觀察鐵電體中疇結構隨溫度的變化規律002g220 oC240 oC258 oC196 oC 282386 C20 oCHeating coolingC.J. Lu et al., Appl. Phys. Lett. 88, 201906(2006)疇結構的動態觀察 TEM原位觀察疇結構的觀察壓電力顯微鏡（PFM）BTOBTOBTOShinichi Katayama, et

18、al., Adv. Mater., 19, 2552( 2007)疇結構的觀察疇結構的觀察光學顯微鏡光學顯微鏡200um50um(a)(b)a(b)b(a)a(b)b(a)(a) BT single crystal(a) BNdT single crystal鐵電疇的極化反轉鐵電疇的極化反轉極化反轉過程主要由下列幾個階段組成：EE新疇成核新疇成核縱向生長縱向生長橫向生長橫向生長合并合并四、彈性性質四、彈性性質 壓電鐵電晶體是電介質，具有介電性質； 壓電鐵電晶體是彈性介質，具有彈性性質， 壓電效應反映了它的介電性質和彈性性質之間的耦合作用。壓電效應與介電、彈性性質的關系壓電效應與介電、彈性性質的

19、關系4.1 塑性和彈性塑性和彈性塑性：塑性：外力撤消后，物體不能恢復原狀。彈性：彈性：外力撤消后，物體能恢復原狀。內力：內力：物體由于外因(受力、濕度、溫度)而變形時，在物體內各部分之間產生相互作用的內力，以抵抗這種外因的作用，并力圖使物體從變形后的位置回復到變形前的位置。應力應力：受力物體截面上內力的集度，單位面積上的內力。外力外力外力外力內力內力4.2 正應力與切應力正應力與切應力正應力：正應力：施力方向垂直于受力面為正應力。切應力：切應力：施力方向與受力面積平行為切應力或剪應力。靜應力：靜應力：材料所受的外力不隨時間而變化，其內部的應力大小不變。交變應力：交變應力：材料所受的外力隨時間呈

20、周期性變化，這時內部的應力也隨時間呈周期性變化。正應力正應力正應力正應力切應力切應力切應力切應力面積與力都是矢量面積與力都是矢量正應力（正應力（3個）個）xzyxxzzyy2 = / ()FN mPaA，單位或張應力張應力壓應力壓應力第一個下標：面； 第二個下標：力切應力（切應力（6個）個）yxzzy =yzFAxz =zxxy =yx應力張量應力張量為了方便記憶與描述：角標xx yyzzyz =zyxz = zxxy=yx 雙腳標11 22 33 233112單角標T1T2T3T4T5T6(6個獨立分量個獨立分量)12xx1112133212223431323356=xyxzyxyyyzzx

21、zyzzTTTTTTT應力張量應力張量矩陣表達形式矩陣表達形式4.4 應變應變 形變形變： 在外力作用下，物體的大小和形狀發生變化。 應變應變： 物體內任一點因各種作用引起的相對變形。及變形前后 的改變量與原物理量之比。又可分為線應線應變和切應變。變和切應變。 應力與應變應力與應變FFFFFFFF正應力正應力正應變正應變切應力切應力切應變切應變正應變 S = x / lxlFF切應變S = FFlx 應變表達形式應變表達形式應變張量應變張量為了方便記憶與描述：角標Sxx SyySzzSyz =SzySxz = SzxSxy=Syx 雙腳標S11 S22 S33 S23S31S12單角標S1S2

22、S3S4S5S66個獨立分量個獨立分量12xx1112133212223431323356=xyxzyxyyyzzxzyzzSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSS應變張量應變張量矩陣表達形式矩陣表達形式應力應變曲線應力應變曲線So屈服點應變硬化破壞彈性形變胡克定律胡克定律: 在彈性限度內, S, 即 / S = E ，E 為楊氏模量 或彈性模量，是常量, 與材料有關。同理，在彈性限度內, / = G 為剪切模量或剛性模量塑性形變4.5 胡克定律胡克定律(1) -彈性柔順常數6543216656463626165655453525154645443424143635343323132

23、62524232212161514131211654321TTTTTTssssssssssssssssssssssssssssssssssssSSSSSS彈性柔順常數是一個四級張量，共有36個，獨立的彈性剛度常數共21個。Ti：應力Sj：應變sij：彈性柔順常數彈性柔順常數的物理意義 :s s1111=(=( S S1 1/ / T T1 1) )TkTk ：沿x方向的伸縮應力T1的改變引起x方向伸縮應變S1的改變與伸縮應力T1的改變的比。 伸縮應力與伸縮應變有關的彈性柔順常數。s s4444=(=( S S4 4/ / T T4 4) )TkTk ：x面上的切應力T4的改變引起x面上切應變S

24、4的改變與切應力T4的改變之比。切應力與切應變有關的彈性柔順常數。4.6 胡克定律胡克定律(2)-彈性剛度常數彈性剛度常數654321665646362616565545352515464544342414363534332313262524232212161514131211654321SSSSSSccccccccccccccccccccccccccccccccccccTTTTTT彈性剛度常數是一個四級張量，共有36個，獨立的彈性剛度常數共21個。Ti：應力Sj：應變cij：彈性剛度常數實驗上常采用楊氏模量Y，泊松比及切變模量G來代替彈性柔順常數s11、s12、s44。它們之間的關系為： 1

25、1s1Y 1211ss )1 (2Y)ss (21s1G121144Yangs modulus:Poission ratio:Shear modulus:五、五、 壓電效應及應用壓電效應及應用正壓電效應正壓電效應：某些電介質受到外力作用而發生形變，在它某些電介質受到外力作用而發生形變，在它的的某些表面某些表面出現與外力成出現與外力成線性比例線性比例的電荷積累。當外力去掉后，的電荷積累。當外力去掉后，又重新恢復不帶電狀態的現象。又重新恢復不帶電狀態的現象。逆壓電效應逆壓電效應：當電介質受到電場當電介質受到電場E作用時，電介質在作用時，電介質在某一某一方向方向上產生與電場強度上產生與電場強度E成成

26、線性關系線性關系的機械形變，當外加電場的機械形變，當外加電場撤去時，這些變形也隨之消失的現象。撤去時，這些變形也隨之消失的現象。 5.1 壓電效應壓電效應5.2 壓電換能器壓電換能器原理：原理： 利用壓電材料的正逆壓電效應將機械能和 電能進行相互轉換。優點：優點： 轉換效率高，接收靈敏度高，潔凈無污染。應用：應用：超聲清洗，能量回收 日本：地鐵發電地板，每天回收1400千瓦時電能。英國： 舞池壓電地板，回收60%的電能。以色列：發電馬路，每公里每小時產生400千瓦時電能。5.3 壓電驅動器壓電驅動器-超聲電機超聲電機應用原理：應用原理： 利用壓電陶瓷的逆壓電效應和超聲振動來獲得其運動和力矩。性

27、能特點性能特點 重量輕、體積小、定位精確（納米級別 ）、響應速度快、無噪音、穩定性好、不受磁場干擾。應用領域應用領域 光學儀器、汽車、航空航天、工業控制、醫療器械、民用產品等5.4 超聲成像超聲成像壓電材料壓電材料超聲成像超聲成像:利用超聲波進入人體或材料后，在不同組織分界處形成的反射回波，而進行成像處理的技術。超聲換能器超聲換能器: 既是超聲波發射器又是回波接收器，它是超聲成像系統中最為關鍵的聲學部件，是獲得高質量圖像的保證。優點：優點：靈敏度高，成像清晰。應用：應用： 醫學病情診斷，工業無損探傷1. 壓電變壓器壓電變壓器2. 壓電傳感器壓電傳感器3. 超聲霧化器超聲霧化器其他壓電器件其他壓

28、電器件FxXY+Fx+-P1P2P3FX+ + + X5.5 壓電效應產生機理壓電效應產生機理(1)：非鐵電性壓電晶體非鐵電性壓電晶體SiO2Y+- - - -XP1P2P3壓力壓力正壓電效應正壓電效應定性分析定性分析(P1+P2+P3)X0 有壓電性(P1+P2+P3)Y=0 無壓電性(P1+P2+P3)Z=0 無壓電性各向異性各向異性X方向受力時：方向受力時：5.6 壓電效應產生機理壓電效應產生機理(2)：鐵電性壓電晶體鐵電性壓電晶體BaTiO3束縛電荷在電極面上吸附了一層大小相等符號相反的外界自束縛電荷在電極面上吸附了一層大小相等符號相反的外界自由電荷，以屏蔽和抵消陶瓷片內極化強度對外界

29、的作用。由電荷，以屏蔽和抵消陶瓷片內極化強度對外界的作用。1. 極化前，極化前，P=02. 極化后，極化后， P0E鐵電疇鐵電疇P- - - - - - - - - - -+ + + + + + +- - - - - - - - - - -+ + + + + + +自由電荷自由電荷束縛電荷束縛電荷自由電荷自由電荷束縛電荷束縛電荷- - - - - - - - - - -+ + + + + +- - - - - - - - - - - -+ + + + + + +FF3. 壓應力，壓應力， P05.7 壓電效應與對稱中心壓電效應與對稱中心晶體的任何形變也不能改變這個中心對稱性質。所以,具有對稱中

30、心的晶體是非壓電晶體。七大晶系32類點群中有21類不存在對稱中心，其中的20類無中心對稱的晶體已發現具有壓電效應。 FFFFFFZxy5.8 對稱面對稱面 設x面為對稱面，則當晶體的坐標由x-x、yy、zz時，晶體的性質應保持不變。1. 垂直于對稱面的方向上電偶極矩的和等于零。2. 在平行于對稱面方向上可以存在不等于零的電偶極矩。5.9 四次軸 設z軸為4次軸，根據四次軸的對稱性要求，晶體經過90、 180、 270轉動后，晶體的性質保持不變。zyxOP-P-PP 在垂直于z軸的x、y方向的電偶極矩等于零。 在平行于z軸方向上，可以存在不等于零的電偶極矩。 5.10 壓電常數壓電常數(1)11

31、1 1Pd T(4)1144Pd T(3)113 3Pd T(5)115 5Pd T(6)1166Pd T(2)1122Pd Txz zT3(P1)T2T1T4T6T5(P P3 )(P P2)(3)(3)(2)(2)Pi j = d i j Tj i =1、2、3 j =1、2、3、4、5、6y y(1)(1)vi(i=1,2,3):表示晶體的極化方向，即在表示晶體的極化方向，即在i i面上產生電荷面上產生電荷。1、2、3分別表示垂直于分別表示垂直于x、y、z軸的晶片表面軸的晶片表面vj(j=1,2,3,4,5,6):1，2，3表示沿表示沿x,y,z方向作用的單向方向作用的單向應力；應力；4

32、，5，6表示在表示在yz, zx, xy平面上承受的剪切應力平面上承受的剪切應力壓電常數模型壓電常數模型d33 縱向壓電常數d31 橫向壓電常數壓電常數矩陣壓電常數矩陣121111213141516322122232425264331323334353656ETTDddddddTDddddddTDddddddTT61,1,2,3iijjEjDd Tidij為壓電常數，足標中第一個數字為壓電常數，足標中第一個數字i指電場方向或電指電場方向或電極面的垂直方向，第二個數字極面的垂直方向，第二個數字j指應力或應變方向；指應力或應變方向；Tj為應力；為應力；Di為電位移。為電位移。5.11 機電耦合系數

33、機電耦合系數K機電耦合系機電耦合系數數K：在壓電效應中，轉換輸出的能量(如電能)與輸入的能量(如機械能)之比的平方根。它是從能量角度衡量壓電材料機電耦合能量轉換效率的重要參數。轉換時輸入的總電能得的機械能通過逆壓電效應轉換所2K轉換時輸入的總機械能得的電能通過正壓電效應轉換所2K或或fs 諧振頻率諧振頻率fp 反諧振頻率反諧振頻率5.12 機械品質因數機械品質因數Qm 壓電陶瓷在振動時，為了克服內摩擦需要消耗能量。壓電陶瓷在振動時，為了克服內摩擦需要消耗能量。機械品質因數機械品質因數Qm是反映能量消耗大小的一個參數。是反映能量消耗大小的一個參數。Qm越大，能量消耗越小。機械品質因數越大，能量消

34、耗越小。機械品質因數Qm的定義式是：的定義式是：222012=2()()pmspsfQf R CCff諧振時振子儲存的機械能每一諧振周期振子所消耗的機械能fs為壓電振子的諧振頻率為壓電振子的諧振頻率, fp為壓電振子的反諧振頻率為壓電振子的反諧振頻率C0為壓電振子的靜電容為壓電振子的靜電容, C1為壓電振子的諧振電容為壓電振子的諧振電容R為諧振頻率時的最小阻抗為諧振頻率時的最小阻抗Zmin（諧振電阻）（諧振電阻）1 1、彈性常數、彈性常數 sij 壓電材料的彈性常數和剛度決定著壓電器件的固有頻率和動態特性。sij， cij2 2、介電常數、介電常數 ij 對于一定形狀、尺寸的壓電器件，其固有電

35、容與介電常數有關，而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。 33、 313 3、絕緣電阻、絕緣電阻 R 壓電材料的絕緣電阻可減少電荷泄露，改善傳感器低頻特性。4 4、居里點、居里點 Tc 壓電材料開始喪失壓電特性的溫度。5.13 其他重要的概念其他重要的概念六、熱釋電性質熱釋電效應熱釋電效應熱釋電效應：熱釋電效應：極化強度隨溫度改變而表現出的電荷釋放現象，宏觀上是溫度的改變使材料的兩端出現電壓或產生電流。熱釋電效應形成原理熱釋電效應形成原理懸浮電荷懸浮電荷熱平衡條件下熱平衡條件下熱能熱能溫度變化造成極化溫度變化造成極化T+T(K)溫度變化溫度變化熱釋電效應產生機理熱釋電效應產生機理1. 極化強

36、度的排列使靠近極化矢量兩端的表面附近出現束縛電荷。在熱平衡狀態下，這些束縛電荷被等量反號的自由電荷所屏蔽，所以對外不顯示電性。2. 當溫度改變時，極化強度發生變化，原先的自由電荷不能再完全屏蔽束縛電荷，于是表面出現自由電荷，他們在附近空間形成電場，對帶電微粒有吸引或者排斥作用。通過與外電路連接，則可在電路中觀測到電流。升溫和降溫兩種情況下電流的方向相反紅外傳感器的工作原理紅外傳感器的工作原理任何發熱體都會產生任何發熱體都會產生紅外線紅外線 。輻射的紅外線波長跟物體輻射的紅外線波長跟物體溫度溫度有關。表面溫度越高有關。表面溫度越高 ,輻射能量輻射能量越強。越強。最大波長和溫度的關系滿足最大波長和

37、溫度的關系滿足維恩位移定律維恩位移定律：m*T=2989 (mk)人體的正常體溫為人體的正常體溫為3637.5 C ， 其輻射的最強的紅外線的波長其輻射的最強的紅外線的波長為為 9.679.64m，中心波長為，中心波長為 9.65m。熱釋電材料的應用熱釋電材料的應用-紅外測溫儀紅外測溫儀儀器探溫儀器探溫人體探溫人體探溫工工業業高高溫溫探探測測紅外測溫儀紅外測溫儀紅外測溫儀的優點紅外測溫儀的優點非接觸紅外測溫儀非接觸紅外測溫儀接觸類測溫儀接觸類測溫儀1.非接觸測溫對物體無影響1接觸測溫對被測物溫度場有影響2.檢測物體表面溫度2不適合測瞬態溫度3.反應速度快,可測運動中的物體和瞬態溫度3不便于測運

38、動中的物體4.測量范圍寬4測量范圍不夠寬，且耗材5.測量精度高,分辨率小5不適合測量有毒、高壓等危險場合6.可對小面積測溫7.可同時對點, 線, 面測溫8.可測絕對溫度,也可測相對溫度熱釋電材料的應用熱釋電材料的應用-夜夜 視視 因為人體、各種動物以及發動機等都是熱源，都會輻射產生紅外線，這時你坐在夜視儀前，就會通過屏幕清楚地觀測到遠處的物體，甚至可以分辨人、動物及汽車、坦克的形狀。如果給戰士們配置了這種黑夜“千里眼”，并裝備上激光測距儀，他們就會百發百中，彈無虛發。 夜視技術現在已經成了部隊現代化裝備的重要技術之一。在伸手不見五指的黑夜，埋伏在叢林中的敵人、遠處的汽車、坦克等，以前是很難被發

39、現的。現在有了紅外夜視儀，情況就不同了。熱釋電材料的應用熱釋電材料的應用-醫學及工業醫學及工業診斷診斷醫學診斷醫學診斷因為人體發炎的部位會輻射出更多的紅外線，利用紅外熱像儀可以幫助醫生確定病灶的位置及形狀。在醫院中幫助醫生診斷疾病。工業診斷工業診斷飛馳的火車如果某一個車輪發生故障，也會產生高溫。用熱釋電晶體制作的紅外遙感測溫儀可以在火車行駛過程中，迅速而準確地判斷出第幾個輪子出了問題，并及時通知下一站的工作人員及時檢修。熱釋電材料的應用熱釋電材料的應用-電氣檢測紅色箭頭所指相溫升較高，說明該相接頭處有嚴重問題。http:/ 如果能夠用一種物理方法來改變光波的這些振幅、頻率、相位、強度等參量之一

40、，使其按照調制信號的規律變化，就稱激光束就受到了信號的調制，即達到“運載”信息的目的。 光束調制按其調制的性質可分為調幅、調頻、調相及強度調制等。電光效應電光效應 某些晶體在外加電場的作用下，其折射率將發生變化，當光波通過此介質時，其傳輸特性(振幅、相位、頻率)就受到影響而改變，這種現象稱為電光效應。 電光效應包括1. 泡克耳斯(Pockels)效應：介質折射率改變量與外加電場的一次方成正比。（線性電光效應線性電光效應）2. 克爾(Kerr)效應：介質折射率改變量與外加電場的二次方成正比。（二次二次電光效應電光效應）+-MM0I20IN電光晶體電光效應應用電光效應應用利用電光效應可以實現對光波

41、的振幅和相位進行調制。可以制作電光調制器、電光開關、電光光偏轉器等光電子器件。可用于光閘、激光器的Q開關、光波調制，在高速攝影、光速測量、光通信和激光測距等激光技術領域有重要應用。+電光調制原理1 1rrvc 光在透明介質中的傳播速度v小于真空中的速度c, 而c與v之比定義為該透明介質的折射率，即1 2cnv光波是電磁波，則可以從上兩式比較可得1 3rrn 此式把光學和電磁學兩個不同領域聯系起來了。使折射率成為只與介質本身常量有關的物理量。r 相對介電常r 相對磁導率從光的電磁理論可知，介質折射率完全決定于它的光頻介電常數。在通常情況下，電場較小，介電方程用下述線性關系描述:,1,2,3iij

42、jDEi j 此時介電常數ij=Di/Ej是一個與電場無關的常數，因而折射率:0/ijijijnK與電場無關。晶體的介電常數mn為二階張量，呈現各向異性，所以折射率nnm也各向異性，即光學各向異性。電光調制原理但是當對電介質施加一個足夠強的外電場，以致于強到足以和原子的內電場（3108 V/cm）相比擬時，則在這種情況下，原子的內電場就會受到強烈的影響，原子的形狀和能級結構等等就會發生一系列畸變；D和E之間呈現出非線性關系。可以展成下列冪級數形式: 02302DEEED2 E3 EE高電場下，介電常數及折射率都是電場的函數。1 3rrn 電光調制原理光軸：光軸：z軸與天然石英晶體的上、下頂軸與

43、天然石英晶體的上、下頂角連線重合角連線重合(即與晶體的即與晶體的C軸重合軸重合)。光。光線沿線沿z軸通過石英晶體時不產生雙折射，軸通過石英晶體時不產生雙折射，故稱故稱z軸為石英晶體的光軸。軸為石英晶體的光軸。電軸：電軸：x軸與石英晶體橫截面上的對角軸與石英晶體橫截面上的對角線重合線重合(即與晶體的即與晶體的a軸重合軸重合)，沿，沿x方向方向對晶體施加壓力時，產生的壓電效應最對晶體施加壓力時，產生的壓電效應最顯著，故常稱顯著，故常稱x軸為石英晶體的電軸。軸為石英晶體的電軸。機械軸：機械軸：沿沿x軸或者軸或者y軸施加應力，在軸施加應力，在y軸不產生壓電效應，只產生形變。軸不產生壓電效應，只產生形變

44、。Y軸軸稱為機械軸。稱為機械軸。石英晶體的光軸，電軸，機械軸石英晶體的光軸，電軸，機械軸光軸光軸電軸電軸機械軸機械軸Y+- - - -XP1P2P3 外加交變電場可以使壓電材料產生機械振動，但在一般情況下振幅都非常小，當外加交變電壓的頻率為某一特定頻率時，振幅才會突然增大，這種現象稱為壓電諧振壓電諧振。上述特定頻率稱為晶體的固有頻率或諧振頻率固有頻率或諧振頻率。壓電諧振及其產生條件壓電諧振及其產生條件產生原因產生原因1、壓電效應：在晶片的兩面之間加電場，就會產生機械變形。當在晶片的兩電極之間加交變電壓時，晶片就會產生機械變形振動。2、固有頻率：材料有固有頻率，與其剛度系數（柔順系數）、尺寸有關

45、。3、外在驅動信號頻率與材料固有頻率一致時發生諧振。電路符號石英晶體振蕩器的等效電路。石英晶體振蕩器的等效電路。等效電路結構模型C0 -晶體不振動時的等效靜電電容。晶體不振動時的等效靜電電容。L -晶體振動時的等效質量慣性，等效為電感。晶體振動時的等效質量慣性，等效為電感。C -晶片的振動彈性，等效為電容。晶片的振動彈性，等效為電容。R -晶片振動時因摩擦而造成的損耗，等效于電阻晶片振動時因摩擦而造成的損耗，等效于電阻。RC0畫出石英晶體諧振器的等效電路和X-諧振曲線。寫出其串聯支路諧振頻率s和并聯回路諧振頻率p表達式，并在圖中注明s和p的位置。 s s是串聯支路是串聯支路的諧振頻率。的諧振頻

46、率。 p p并聯回路并聯回路的諧振頻率的諧振頻率 X XC01+ XL+XC111= j C0- - j 1 L - - C1 p C、L和和 R串聯后再與串聯后再與 C0并并聯，得出總阻抗聯，得出總阻抗Z。通常。通常RXL，所以所以R可忽略。可忽略。Z可用總電抗可用總電抗X替代。替代。X=0X= 1. 鈣鈦礦結構2. 鎢青銅型結構3. 鈮酸鋰型結構4. 含鉍層狀鈣鈦礦結構 常見壓電陶瓷的晶體結構：常見壓電陶瓷的晶體結構：ABO3鈣鈦礦結構鈣鈦礦結構ABO3：A：1,2,3 Na，Pb2+，Ba2+，La3+B：5,4,3 Nb5+,Ti4+，Fe3+u化學通式是ABO3，A為半徑較大的低價正

47、離子，B為半徑較小的高價正離子。uB位原子處于氧八面體中心，A位原子處于氧八面體間隙。AOBABOPbZrO3-PbTiO3相圖相圖及準同型相界及準同型相界1 1、隨、隨ZrZr：Ti Ti 變化，變化，居里點居里點幾乎線幾乎線性地從性地從235235變到變到490 490 ，T Tc c線以上線以上為立方順電相，無壓電效應。為立方順電相，無壓電效應。2 2、ZrZr：Ti=53Ti=53：4747附近有附近有一準同型一準同型相界相界線，富鈦側為四方鐵電相線，富鈦側為四方鐵電相F FT T；富鋯一側為高溫三方鐵電相富鋯一側為高溫三方鐵電相F FR R，溫，溫度升高，這一相界線向富鋯側傾斜，度升

48、高，這一相界線向富鋯側傾斜，并與并與T Tc c線交于線交于360360（表明相界附（表明相界附近居里溫度近居里溫度T Tc c高），在相界附近，高），在相界附近，晶胞參數發生突變。晶胞參數發生突變。立方順電相四方鐵電相高溫三方鐵電相A03 3、在四方鐵電相、在四方鐵電相F FT T與三方鐵電相與三方鐵電相F FR R的相界附近具有很強的壓電效應，的相界附近具有很強的壓電效應，K Kp p, , 出現極大值，出現極大值，Q Qm m出現極小值。出現極小值。準同型相界：四方鐵電相與三方鐵電相的交界，并不是一個明確的成分分界線，而是具有一定的成分范圍，在此區域內，PZT陶瓷體內三方相和四方相共存。

49、溫度溫度 oC 在四方鐵電相在四方鐵電相Ft與三方鐵電相與三方鐵電相FR共存的準同型相界附共存的準同型相界附近具有很強的壓電效應。近具有很強的壓電效應。Kp, 出現極大值，出現極大值，Qm出現極小出現極小值。值。 原因：原因：相界線不是明確的成分分界線，而是具有一定相界線不是明確的成分分界線，而是具有一定寬度、成分比范圍的相重疊區域，在相界線附近，晶粒中寬度、成分比范圍的相重疊區域，在相界線附近，晶粒中可同時存在四方鐵電相和三方鐵電相。可同時存在四方鐵電相和三方鐵電相。 在此區域內，在此區域內，Ft和和FR(高溫高溫)自由能相近，相轉變激活能低，自由能相近，相轉變激活能低，在弱電場誘導下就能發

50、生結構相變，在弱電場誘導下就能發生結構相變，使不同取向的晶粒的使不同取向的晶粒的自發極化軸盡可能統一到電場方向，因而自發極化軸盡可能統一到電場方向，因而，KP 。由于。由于電疇定向充分，內摩擦增大，故電疇定向充分，內摩擦增大，故Qm 。因此，為了獲得。因此，為了獲得KP , 的材料，組成宜選在的材料，組成宜選在Zr：Ti=53：47附近，為了獲附近，為了獲得得Qm 伴隨伴隨KP 的材料，則應選在遠離的材料，則應選在遠離53：47處。處。準同型相界的優異性能及產生機理準同型相界的優異性能及產生機理PZT瓷的摻雜改性瓷的摻雜改性: 為了滿足不同的使用目的，需要具有各種為了滿足不同的使用目的，需要具

51、有各種性能的性能的PZT壓電陶瓷，為此可以添加不同的離壓電陶瓷，為此可以添加不同的離子來取代子來取代A位的位的Pb2+離子或離子或B位的位的Zr4+，Ti4+離離子，從而改進材料的性能。子，從而改進材料的性能。其其它它取取代代改改性性硬硬性性取取代代改改性性軟軟性性取取代代改改性性異異價價取取代代等等價價取取代代的的改改性性分分為為：PZTPZT瓷的摻雜改性瓷的摻雜改性上述離子取代上述離子取代Pb2+后，晶體結構仍為鈣鈦礦型，但出后，晶體結構仍為鈣鈦礦型，但出現了晶格畸變，晶格自由能增加，電疇轉向激活能減小，現了晶格畸變，晶格自由能增加，電疇轉向激活能減小，在人工預極化處理時，有利于在人工預極

52、化處理時，有利于90o疇轉向與保留，故疇轉向與保留，故，KP , d 。等價取代是指用等價取代是指用Ca2+、Sr2+、Mg2+ 等二價離子取等二價離子取代代Pb2+，結果使，結果使PZT瓷的瓷的，KP ，d，從而提高，從而提高PZT瓷的壓電性能。瓷的壓電性能。 等價等價A位取代位取代所謂所謂“軟軟”是指加入這些添加物后能使矯頑場強是指加入這些添加物后能使矯頑場強EC ，因而在電場或應力作用下，材料性質變因而在電場或應力作用下，材料性質變“軟軟”。1) La3+, Bi3+, Sb3+ 等取代等取代A位位Pb2+離子（施主摻雜）；離子（施主摻雜）；2) Nb5+, Ta5+, Sb5+, W6

53、+等取代等取代B位的位的Zr4+、Ti4+離子離子(施主摻雜施主摻雜)。經取代改性后的經取代改性后的PZT瓷性能有如下變化：瓷性能有如下變化： 矯頑場強矯頑場強E EC C 減小減小，機械品質因數，機械品質因數Q Qm m減小減小；介電常；介電常數數增加增加，介電損耗，介電損耗tantan增加增加, ,機電耦合系數機電耦合系數K KP P增加增加, , 抗老化性增加，絕緣電阻率抗老化性增加，絕緣電阻率增加增加 。軟性取代改性軟性取代改性所謂所謂“硬性取代改性硬性取代改性”是指加入這些添加物后能使矯是指加入這些添加物后能使矯頑場強頑場強EC 增加增加，極化變難，因而在電場或應力作用下，極化變難，

54、因而在電場或應力作用下，材料性質變材料性質變“硬硬”。 硬性取代使得材料的機械品質因數硬性取代使得材料的機械品質因數Qm增加，介電常數增加，介電常數減小減小，介電損耗，介電損耗tan減小減小, 機電耦機電耦合系數合系數KP減小減小, 抗老化性降低，絕緣電阻率抗老化性降低，絕緣電阻率減小減小。a） K+，Na+等取代等取代A位位Pb+2離子（受主摻雜）；離子（受主摻雜）；b） Fe2+、Co2+、Mn2+(或或Fe3+、Co3+、Mn3+)、Ni2+、Mg2+、Al3+、Cr3+等取代等取代B位的位的Zr4+、Ti4+離子（受主摻雜）。離子（受主摻雜）。 硬性取代改性硬性取代改性常見的無鉛壓電材

55、料常見的無鉛壓電材料（1） BaTiO3基無鉛壓電陶瓷基無鉛壓電陶瓷（2）Na1-XKXNbO3基無鉛壓電陶瓷基無鉛壓電陶瓷（3） Bi1-xNaxTiO3基無鉛壓電陶瓷基無鉛壓電陶瓷（4）鉍層狀結構壓電陶瓷）鉍層狀結構壓電陶瓷(Bi4Ti3O12)（5）鎢青銅結構無鉛壓電陶瓷）鎢青銅結構無鉛壓電陶瓷(SrxBa1-x)Nb2O6)壓電高分子材料聚偏氟乙烯，簡稱PVDF，分子式為(CH2-CF2)n，PVDF的存在哪幾種晶型，哪一種晶型具有壓電性？PVDF存在四種晶相：，晶型是PVDF最普通的結晶形式，為單斜晶系，構型為TGTG在同一單胞內偶極子反向排布，偶極矩相互抵消，因此分子為非極性。晶型

56、是PVDF的重要結晶形式，為正交晶系，構型為全反式TTT單胞內偶極子排布方向一致，因而具有強極性，相具有最強的壓電性。相相壓電陶瓷和壓電聚合物各有具有哪些優缺點？壓電陶瓷材料如鋯鈦酸鉛( PZT) , 具有壓電性能高，機電耦合系數大，局里溫度高等特點, 但它介電常數高, 聲阻抗大且耐沖擊性能較差, 使其應用受到制約,而且含鉛具有毒性。 壓電聚合物, 如聚偏二氟乙烯( PVDF) , 具有柔順性好,聲阻抗小,密度低，穩定性強，無毒等特性，但其壓電系數和機電耦合系數較小, 溫度特性和老化特性存在問題。PVDF的聲阻抗與空氣、 水和生物組織很接近， 所在許多技術領域都有適用性。特別是用它制作與液體、

57、 生物體及氣體的換能器， 可獲得比用其它壓電材料制作換能器更好的阻抗匹配。必須由必須由兩種及兩種及以上化學、物以上化學、物理性質不同的理性質不同的材料組合而成材料組合而成必須是必須是人造人造的的，是人們根據，是人們根據需要設計制造需要設計制造的材料的材料通過各組分性通過各組分性能的互補可獲能的互補可獲得單一材料不得單一材料不能達到的能達到的綜合綜合性能性能復合材料123 由由兩種以上兩種以上不同的原材料組成，使原材料的性能得不同的原材料組成，使原材料的性能得到充分發揮，并通過到充分發揮，并通過復合化復合化而得到單一材料所不具備的而得到單一材料所不具備的性能的材料。性能的材料。壓電陶瓷材料如鋯鈦

58、酸鉛( PZT) , 具有壓電性能高和機電耦合系數大等特點, 但它介電常數高, 聲阻抗大且耐沖擊性能較差, 使其應用受到制約, 而某些高分子材料, 如聚偏二氟乙烯( PVDF) , 其柔順性好,聲阻抗小, 但其壓電系數和機電耦合系數較小, 溫度特性和老化特性存在問題, 將壓電陶瓷材料與聚合物材料按一定的連通方式復合后, 則可制成既具有一定壓電性, 又具有柔軟性的壓電復合材料,壓電復合材料 壓電陶瓷的制備工藝壓電陶瓷的制備工藝1. 粉體制備粉體制備2. 坯體成型坯體成型3. 陶瓷燒結陶瓷燒結納米粉體合成方法納米粉體合成方法納米材料納米材料制備途徑制備途徑從小到大從小到大: 原子原子團簇團簇納米顆

59、粒納米顆粒從大到小從大到小: 固體固體微米顆粒微米顆粒納米顆粒納米顆粒通常可通過兩大的途徑得到納米材料：通常可通過兩大的途徑得到納米材料：納納米米粒粒子子合合成成方方法法分分類類納納米米粒粒子子制制備備方方法法物理法物理法化學法化學法粉碎法粉碎法構筑法構筑法沉淀法沉淀法水熱法水熱法溶膠凝膠法溶膠凝膠法冷凍干燥法冷凍干燥法噴霧法噴霧法干式粉碎干式粉碎濕式粉碎濕式粉碎氣體冷凝法氣體冷凝法濺射法濺射法氫電弧等離子體法氫電弧等離子體法共沉淀法共沉淀法均相沉淀法均相沉淀法水解沉淀法水解沉淀法氣相反應法氣相反應法液相反應法液相反應法氣相分解法氣相分解法氣相合成法氣相合成法氣固反應法氣固反應法其它方法其它方

60、法(如球磨法如球磨法)陶瓷的成型制備技術陶瓷的成型制備技術根據制成的形狀和要求特性，主要采用下列5種粉體成形方法：（1）模壓成形；（干壓成型）（2）等靜壓成形；（3）擠壓成形；（4）注漿成形；（5）熱壓鑄成型；陶瓷的燒結陶瓷的燒結宏觀 定義：粉體原料經過成型、加熱到低于熔點的溫度，發生固結、氣孔率下降、收縮加大、致密度提高、晶粒增大，成為堅硬的燒結體，這個過程稱為燒結。微觀定義：固體中分子（原子）間存在相互吸引，通過加熱使質點獲得足夠的能量進行遷移，使粉末體產生顆粒粘結，產生強度并導致致密化和再結晶的過程，稱為燒結。常規燒結常規燒結(是否出現液相) 燒結方法燒結方法分類分類固相燒結：液相燒結：