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鐵電性與鐵電疇是什么?

更新時(shí)間:2021-04-13      點(diǎn)擊次數(shù):3277

所謂鐵電性通常是指鐵電體的微觀結(jié)構(gòu)性質(zhì)。存在電滯回線、電疇結(jié)構(gòu)、自發(fā)極化以及相應(yīng)的晶胞形變(自發(fā)應(yīng)變)、居里點(diǎn)、居里-外斯定律等是一般*的鐵電性可能表露出來的最重要的幾種宏觀性質(zhì)。下面概括地介紹電介質(zhì)的各種宏觀鐵電性質(zhì)。

(一)鐵電疇

通常,一個(gè)鐵電體并不是在一個(gè)方向上單一地產(chǎn)生自發(fā)極化。

1.鐵電疇:一個(gè)自然形成鐵電單晶或鐵電陶瓷晶粒中出現(xiàn)的許多微小區(qū)域;每個(gè)區(qū)域中晶胞的電矩取向相同;而相鄰區(qū)域的電矩取向不同。這樣的區(qū)域稱為電疇。

2.疇壁:兩疇之間的界壁稱為疇壁。

晶體中的自發(fā)極化方向一般不相同,互相成90°或180°等角度。若兩個(gè)電疇的自發(fā)極化方向互成90°,則其疇壁叫90°。疇壁。此外,還有180°疇壁等。

180°疇壁較薄,一般為5-20埃,90°疇壁較厚一般為50-100埃。為了使體系的能量*低,各電疇的極化方向通常“首尾相連”。

3.電疇結(jié)構(gòu)與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系

BaTiOa的鐵電相晶體結(jié)構(gòu)有四方、斜方、菱形三種晶系,它們的自發(fā)極化方向分別沿[001],[011],[111]方向,除了90°。和180°疇壁外,在斜方晶系中還有60°和120°疇壁,在菱形晶系中還有71°,109°疇壁。

多晶體中每個(gè)小晶??砂鄠€(gè)電疇。由于晶體本身取向無規(guī)則,所以各電疇分布是混亂的,因而對(duì)外不顯示極性。單晶體,各電疇間的取向成一定的角度,如90°,180°。

 

4.電疇的形成及其運(yùn)動(dòng)的微觀機(jī)理

  1. 電疇的形成

以BaTiO4為例。離子位移理論,認(rèn)為自發(fā)極化主要是由晶體中某些離子偏離了平衡位置造成的。由于離子偏離了平衡位置,使得單位晶胞中出現(xiàn)了電矩。電矩之間的相互作用使偏離平衡位置的離子在位置上穩(wěn)定下來,與此同時(shí)晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了畸變。自發(fā)極化的產(chǎn)生由鈦、氧離子間的強(qiáng)耦合作用引起。

設(shè)中間部位的鈦離子因熱運(yùn)動(dòng)的漲落在某一瞬間向氧離子O1有微小位移,則又使氧離子向鈦離子靠攏,接著由于比較大的內(nèi)電場(chǎng)力的傳遞,使自發(fā)極化首先沿Ti-O1離子線展開。

 

同時(shí),由于電場(chǎng)力以及彈性力的傳遞,周圍的O2離子也被向下擠。如此,自發(fā)極化向橫向發(fā)展。橫向發(fā)展是間接的,比較弱,因此以上形成的疇核及其發(fā)展如針狀。最后的電疇圖案總是電場(chǎng)力與彈性力平衡的結(jié)果,整個(gè)體系保持能量*低。

(2)電疇“轉(zhuǎn)向”(電疇運(yùn)動(dòng))

鐵電疇在外電場(chǎng)作用下,總是要趨向于與外電場(chǎng)方向一致。這形象地稱作電疇“轉(zhuǎn)向”。

①電疇運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方式

是通過在外電場(chǎng)作用下新疇的出現(xiàn)、發(fā)展以及疇壁的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。

②180°疇的“轉(zhuǎn)向”

在電場(chǎng)作用下,180°疇的“轉(zhuǎn)向”是通過許多尖劈形新疇的出現(xiàn)、發(fā)展而實(shí)現(xiàn)的。尖劈形新疇迅速沿前端向前發(fā)展。

③90°疇的“轉(zhuǎn)向”

雖然也產(chǎn)生針狀電疇,但主要是通過90°疇壁的側(cè)向移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。實(shí)驗(yàn)證明,這種側(cè)向移動(dòng)所需要的能量比產(chǎn)生針狀新疇所需要的能量還要低。

④180°疇與90°電疇的轉(zhuǎn)向的比較:

一般在外電場(chǎng)作用下(人工極化),180°疇:轉(zhuǎn)向比較充分,同時(shí)由于“轉(zhuǎn)向”時(shí)結(jié)構(gòu)畸變小,內(nèi)應(yīng)力小,因而這種轉(zhuǎn)向比較穩(wěn)定。

90°疇:轉(zhuǎn)向是不充分(例如BaTiO3陶瓷,90°疇只有13%轉(zhuǎn)向),轉(zhuǎn)向時(shí)引起較大內(nèi)應(yīng)力,所以這種轉(zhuǎn)向不穩(wěn)定。當(dāng)外加電場(chǎng)撤去后,則有小部分電疇偏離極化方向,恢復(fù)原位,大部分電疇則停留在新轉(zhuǎn)向的極化方向上,這叫剩余極化。

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