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铁电性与铁电畴是什么?

日期:2021-04-13浏览:225次

所谓铁电性通常是指铁电体的微观结构性质。存在电滞回线、电畴结构、自发极化以及相应的晶胞形变(自发应变)、居里点、居里-外斯定律等是一般公认的铁电性可能表露出来的最重要的几种宏观性质。下面概括地介绍电介质的各种宏观铁电性质。

(一)铁电畴

通常,一个铁电体并不是在一个方向上单一地产生自发极化。

1.铁电畴:一个自然形成铁电单晶或铁电陶瓷晶粒中出现的许多微小区域;每个区域中所有晶胞的电矩取向相同;而相邻区域的电矩取向不同。这样的区域称为电畴。

2.畴壁:两畴之间的界壁称为畴壁。

晶体中的自发极化方向一般不相同,互相成90°或180°等角度。若两个电畴的自发极化方向互成90°,则其畴壁叫90°。畴壁。此外,还有180°畴壁等。

180°畴壁较薄,一般为5-20埃,90°畴壁较厚一般为50-100埃。为了使体系的能量*低,各电畴的极化方向通常“首尾相连”。

3.电畴结构与晶体结构的关系

BaTiOa的铁电相晶体结构有四方、斜方、菱形三种晶系,它们的自发极化方向分别沿[001],[011],[111]方向,除了90°。和180°畴壁外,在斜方晶系中还有60°和120°畴壁,在菱形晶系中还有71°,109°畴壁。

多晶体中每个小晶粒可包含多个电畴。由于晶体本身取向无规则,所以各电畴分布是混乱的,因而对外不显示极性。单晶体,各电畴间的取向成一定的角度,如90°,180°。

 

4.电畴的形成及其运动的微观机理

(1)电畴的形成

以BaTiO4为例。离子位移理论,认为自发极化主要是由晶体中某些离子偏离了平衡位置造成的。由于离子偏离了平衡位置,使得单位晶胞中出现了电矩。电矩之间的相互作用使偏离平衡位置的离子在新的位置上稳定下来,与此同时晶体结构发生了畸变。自发极化的产生由钛、氧离子间的强耦合作用引起。

设中间部位的钛离子因热运动的涨落在某一瞬间向氧离子O1有微小位移,则又使氧离子向钛离子靠拢,接着由于比较大的内电场力的传递,使自发极化首先沿Ti-O1离子线展开。

 

同时,由于电场力以及弹性力的传递,周围的O2离子也被向下挤。如此,自发极化向横向发展。横向发展是间接的,比较弱,因此以上形成的畴核及其发展如针状。最后的电畴图案总是电场力与弹性力平衡的结果,整个体系保持能量*低。

(2)电畴“转向”(电畴运动)

铁电畴在外电场作用下,总是要趋向于与外电场方向一致。这形象地称作电畴“转向”。

①电畴运动的实现方式

是通过在外电场作用下新畴的出现、发展以及畴壁的移动来实现的。

②180°畴的“转向”

在电场作用下,180°畴的“转向”是通过许多尖劈形新畴的出现、发展而实现的。尖劈形新畴迅速沿前端向前发展。

③90°畴的“转向”

虽然也产生针状电畴,但主要是通过90°畴壁的侧向移动来实现的。实验证明,这种侧向移动所需要的能量比产生针状新畴所需要的能量还要低。

④180°畴与90°电畴的转向的比较:

一般在外电场作用下(人工极化),180°畴:转向比较充分,同时由于“转向”时结构畸变小,内应力小,因而这种转向比较稳定。

90°畴:转向是不充分(例如BaTiO3陶瓷,90°畴只有13%转向),转向时引起较大内应力,所以这种转向不稳定。当外加电场撤去后,则有小部分电畴偏离极化方向,恢复原位,大部分电畴则停留在新转向的极化方向上,这叫剩余极化。

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