鐵電體

鐵電體

鐵電體所屬現代詞,指的是一類特殊的電介質。

電滯回線
1655年,法國 La Rochelle 地方的藥劑師 Pierre de la Seignette 最早製造出了酒石酸鉀鈉,這種晶體後來被稱作為 RS(羅息)鹽。1920年 Valasek 發現 RS 晶體在外電場E的作用下,其極化強度 P 有如圖1所示的滯後回線關係,表現出特殊的非線性介電行為;RS 的這種特性當時被稱為 Seignette 電性。由於當時人們已熟知鐵磁體的磁滯回線,圖1的 P(E) 關係曲線和鐵磁體的 B(H) 關係曲線很相似,故被稱為電滯回線。於是,和磁性現象的類比,把 Seignette 電性稱為鐵電性,而具有鐵電性的物體被稱為 Seignette 體或鐵電體。

鐵電體的定義

某些晶體在一定的溫度範圍內具有自發極化,而且其自發極化方向可以因外電場方向的反向而反向,晶體的這種性質稱為鐵電性,具有鐵電性的晶體稱為鐵電體。它之所以稱為鐵電體,是因為它與鐵磁體在許多物理性質上有一一對應之處,如電滯回線對應磁滯回線,電疇對應磁疇,順電-鐵電相變對應順磁-鐵磁相變、電矩對應磁矩等等,而並非晶體中一定含有“鐵”。至於一種晶體是否是鐵電體,我們並不能根據其內部結構的對稱性來預測,只能通過實驗來測定。鐵電體的重要特徵之一是具有電滯回線,電滯回線的存在是判定晶體為鐵電體的重要根據。

鐵電體的分類

鐵電體的分布很廣,目前已知具有鐵電性的晶體多達上千種。它們廣泛地分布於從立方晶繫到單斜晶系的10個點群中。

一、按結晶化學分類

1. 雙氧化物鐵電體
這是一類最重要的鐵電體,均具有氧八面體的結構特徵。按不同的結構有課分成下列五族。
(1)鈣鈦礦型結構
(2)鎢青銅型結構
(3)鈮酸鋰型結構
(4)燒綠石型結構
(5)含鉍層狀結構
2. 非氧化物鐵電體
這是一類不含氧的無機鐵電體。
3. 氫鍵鐵電體
這類鐵電體的共同特點是包含O-H-O或N-H-O形成的氫鍵,為水溶性晶體。

二、按鐵電體順電相有無壓電性分類

1. 在順電相沒有中心對稱的晶體
它們在順電相雖無鐵電性,但因為沒有對稱中心,因此具有壓電性,如 RS 鹽。
2. 在順電相有中心對稱的晶體
它們的順電相由於存在對稱中心,故無壓電性,如鈦酸鋇類晶體。

三、根據鐵電體極性軸的數目分類

1 只有一根極性軸的鐵電體,如 硫酸銨晶體。
2. 可有有多根極性軸的鐵電體,如鈦酸鋇類晶體。

四、按鐵電體的力學性質和熱學性質分類

1. “軟”性鐵電體
這一類鐵電體的特點是可溶於水,力學性質軟,居里溫度低,具有較低的熔化溫度或分解溫度,如磷酸二氫鉀類晶體。
2. “硬”性鐵電體
其特徵是不溶於水,力學性質硬,居里溫度高,熔化溫度高等,如雙氧化物鐵電體晶體。

五、按相轉變的微觀機制分類

1. 位移型鐵電體
這類晶體由順電相到鐵電相得相轉變與離子的位移緊密相聯繫。
2. 有序-無序鐵電體
這類晶體的順電-鐵電相變是同晶體中氫離子的有序化相聯繫,主要是包括有氫鍵的晶體。

六、按居里-外斯常數的大小分類

1. 居里-外斯常數 c 為10^5 數量級的鐵電體,這類鐵電體的相轉變機構屬於位移型,如鈦酸鋇類鐵電體。
2. c 為10^3 數量級的鐵電體,這類鐵電體的微觀相變機構屬於有序-無序型,如磷酸二氫鉀他的晶體。
3. c 為10 數量級的鐵電體,如硫酸銨晶體。

鐵電體的相變

Ehrenfest 首先提出了相變級的廣義定義:n 級相變是這樣一種相變,即其吉布斯自由能G的 (n-1) 階導數在相變溫度是連續的,而其 n 階導數在相變溫度是不連續的。
根據壓電熱力學方程[1],可以知道:在一級相變中,熵 S 、應變 x 、極化強度 P 在居里點 Tc 處的變化是不連續的;在二級相變中,熵 S 、應變 x 、極化強度 P 在居里點 Tc 處的變化是連續的,而比熱 C 、熱膨脹係數 α 、熱釋電係數 p 在 Tc 處是不連續的。

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