压电和铁电材料
7.4 热电、压电和铁电材料
根据固体材料对外电场作用的响应方式不同，我们可以把它们分成两类。一类是导电材料，即超导体、导体、半导体和绝缘体，它们是以传导方式传递外界电场的作用和影响（可以是电子传导、空穴传导和离子传导）。另一类固体材料则是以感应方式来传递外界电场的作用和影响，这类材料叫做介电材料或电介质材料。
电介质材料置于外电场作用下，电介质内部就会出现电极化，原来不带电的电介质，其内部和表面将受感应而产生一定的电荷。电极化可以用极化强度P 表示（单位体积内感应的偶极矩），这种电极化可以分为电子极化、离子极化和取向极化。有一类电介质即使无外电场的作用其内部也会出现极化，这种极化称为自发极化，它可用矢量来描述。由于这种自发极化的出现，在晶体中形成了一个特殊的方向，具有这种特殊结构的电介质，每个晶胞中原子的构型使正负电荷重心沿这个特殊方向发生相对位移，形成电偶极矩，使整个晶体在该方向上呈现了极性，一端为正，一端为负，这个特殊方向称为特殊极性方向，在晶体学中通常称为极轴。而具有特殊极性方向的电介质称为极性电介质。
晶体的许多性质，诸如介电、压电、热电和铁电性，以及与之相关的电致伸缩性质、非线性光学性质、电光性质、声光性质、光折变性质等，都是与其电极化性质相关的。晶体在外电场作用下，引起电介质产生电极化的现象，称为晶体的介电性。
7.4.1热电材料
1. 热电效应
(1) 塞贝克(Seebeck)效应
当两种不同金属接触时，它们之间会产生接触电位差。如果两种不同金属形成一个回路时，两个接头的温度不同，则由于该两接头的接触电位不同，电路中会存在一个电动势，因而有电流通过。电流与热流之间有交互作用存在，其温度梯度不但可以产生热流，还可以产生电流，这是一种热电效应，称为塞贝克效应，其所形成的电动势，称为塞贝克电动势。塞贝克电动势的大小既与材料有关，也是温度差的函数。在温度差?T较小时，塞贝克电动势E AB与温度差呈线性关系，即E AB=S AB?T，式中S AB为材料A和B的相对塞贝克系数。通常规定，在热端的电
流由A 流向B 时S AB 为正，此时E AB 也为正；反之则为负。
(2) 珀耳帖(Peltier)效应
在塞贝克效应发现后不久，珀耳帖发现塞贝克效应的逆效应，即当两种金属通过两个接点组成一回路并通以电流时，会使得一个接头发热而使另一个接头致冷，这就是珀耳帖效应。由此效应而产生的热称为珀耳帖热，其数值大小既取决于两种材料的性质，也与通过的电流成正比，即Q AB =ΠAB I ，式中ΠAB 为材料A 和B 间的相对珀耳帖系数。通常规定，电流由A 流向B 时有热吸收的，珀耳帖系数为正；反之为负。
(3) 汤姆逊(Thomson)效应
汤姆逊效应是基于塞贝克效应和珀耳帖效应而发现的第三个热电效应。汤姆逊发现，只考虑两个接头处发生的效应是不完全的，还必需同时考虑沿单根金属线由于其两端温度差而产生的电动势。因此在由A ，B 两种金属组成一个回路的两接点处温度分别为T 1和T 2时，由汤姆逊效应产生的电动势应为—式中μ 称为汤姆逊系数，下标代表不同的金属，两种金属中的电动势是反向的。这样，由塞贝克效应和汤姆逊效应所产生的总电动势为： ∫∫?12
1
2T T B T T A dT dT μμE = S AB T 1 - S AB T 2 + ∫?12
)(T T B A dT μμ2．热电材料的应用
合金热电材料是最重要的热电材料之一，根据塞贝克效应的原理，被广泛地应用在测量温度方面，这便是我们熟知的热电偶。不同金属组合而成的热电偶适合于不同的温度范围，例如铜－康铜(60％Cu ，40％Ni)适合于-200~400℃、镍铬(90％Ni ，10％Cr)－镍铝(95％Ni ，5％Al)适合于0~1000℃、铂－铂铑(87％Pt ，13％Rh)可使用到1500℃等。
热电效应还广泛地被用于加热(热泵)、制冷和发电等，尤其是发电方面的研究最受重视。虽然温差发电效率低而成本高，但在一些场合，如高山、极地、宇宙空间等其他能源无法使用的情况下，温差发电可以长时间地提供大功率能源就显示出其独特的意义。这类发电器制作简单，首先在1.33×10-3Pa 真空度下相继在铝衬底上蒸镀厚度为几微米的铋、硒、银三层薄膜，再在铝衬底和银膜上用含银化物焊料分别焊上钢导线，即成为发电元件，铝、银分别构成正、负极。研究较多的合金热电材料是碲化铋(Bi 2Te 3)、硒化铋(Bi 2Se 3)、碲化锑(Sb 2Te 3)，用于低温
温差发电，也用于制冷。如毫瓦级或瓦级功率韵核温差电通常由铋—碲热电堆与氧化钚燃料盒组成。
除一些合金外，一些半导体(如碲化铅PbTe)、氧化物、碳化物、氮化物、硼化物和硅化物也有可能用于热电转换。但一般认为具有较高塞贝克系数的硅化物应用前景可能比较乐观，它还兼具容易形成固溶体、工作温度高等优点。聚偏氟乙烯及其共聚物也能产生热电效应，被称为热电聚合物。
7.4.2 压电材料
1. 压电效应与逆压电效应
压电材料是实现机械能与电能相互转变的工作物质。这是一类具有很大潜力的功能材料。
当压电材料受到机械应力时，会引起电极化，其极化值与机械应力成正比，其符号则取决于应力的方向，这种现象称为正压电效应；反过来，材料在电场作用下，产生一个在数量上与电场强度成正比的应变，这种现象称为逆压电效应。
例如，石英是一种压电晶体，若沿某种方位从石英晶体上切下一块薄晶片，在上下两面敷上电极，当在两电极上施加压力使晶片变形，两个电极上会出现等量的正、负电荷，电荷的面密度与施加的作用力的大小成正比；当作用力撤除，电荷也就消失。而若将晶体置于外电场中，由于电场的作用，会使压电晶体发生变形，而形变的大小与外电场的大小成正比，当电场撤除后，形变也消失了。
从晶体点群的对称性和晶体物理性质的讨论可知(参看2.2.2节)，在21种非中心对称点群中，除O-432点群外，其余20种点群的晶体都可能具有压电效应。
2. 压电材料的应用
常用的压电材料有石英（SiO2）、钛酸钡(BaTiO3)、铌酸锂(LiNbO3)等单晶和钙钛矿型的压电陶瓷，这种陶瓷是钛酸钡、钛酸铅(PbTiO3)、锆钛酸铅Pb(Zr x,Ti1-x)O3，简写为[PZT]等的多晶材料，其成分可根据应用的要求进行配料。
压电陶瓷的生产首先要将配制的原料磨细，准确按配比混合均匀，高压下压成所需的形状和大小，再进行烧结。压电陶瓷是多晶聚集体，各晶粒取向不同，如图7.4-1(a)所示。各晶粒的电畴(即自发极化方向一致的区域)示于图7.4-1(b)中。由于各电畴极化方向随机分布，陶瓷内部总的极化强度为零，在生产压电陶瓷时，需要经过极化处理，即在烧制好的陶瓷上加一足够高的直流电场，迫使陶瓷内部
的电畴转向。极化处理后，撤去外电场，仍有剩余极化强度，如图7.4-1(c)所示。
压电材料的应用很广，首先是利用它的换能特性，即将电能转变为机械能或将机械能转变为电能；其次是压电晶体的谐振特性。下面列举四个实例：
图7.4-1 压电陶瓷的晶粒结构
(a)晶格取向，(b)多电畴晶粒，(c)极化处理后，电畴取向有序化
(1) 水声换能器
水声换能器用于水中通讯和探测的装置。由于电磁波在水中传播损耗很大，传不多远就会被水吸收掉，而声波在水中的传播损耗很小，所以水中通讯和探测主要利用声波来传递信息。产生和探测声波的仪器叫声纳系统。人们将水中的声纳和空中的雷达来对比。制造水声换能器最理想的材料是压电陶瓷。压电陶瓷水声换能器的主要优点是：1)不需要直流偏压和线圈，振动系统简单；2)尺寸小，且性能好；3)可根据需要作成任意形状。
(2) 压电点火器
压电晶体受到外力作用后，在电极面上会感应出电荷，电荷聚集而形成高电压，利用高电压可产生火花放电。这种电火花可用于点燃煤气以及炮弹引信等。压电高压发生器大多使用压电陶瓷制作。
(3) 压电超声换能器
压电超声换能器是将电能转换成超声能量，用于超声清洗、超声乳化、超声粉碎、超声加工、超声雾化、超声治疗等方面。应用范围十分广泛。
(4) 石英电子手表
压电效应除了利用换能作用外，还有另一类重要的应用，即利用压电晶体的谐振特性。例如石英晶体存在一个固有的谐振频率，当给压电晶体输入一个电信
号时，如果电信号的频率与压电晶体的谐振频率相等，压电晶体会产生强的机械振动，这种机械振动又使压电晶体输出强的电信号。由于石英晶体的谐振频率极为稳定，可用以设计制造报时准确的石英电子表。
7.4.3 铁电材料
1. 铁电材料的结构和性质
一般的电介质只有在电场作用下才能电极化，但有一类电介质具有自发极化，而且它的自发极化方向能随电场的作用而转向，
这一类电介质称为铁电体．晶体自发极化的性质起源
于晶体中原子的有序排列，出现正负电荷的重心沿某
一方向发生相对位移，整个晶体在该方向上呈现极性，
一端为正，一端为负，使晶体自发地出现极化现象。
自发极化晶体的极化状态，将随温度的改变而变化，
这种性质称为热电性。热电性是所有呈现自发极化的
晶体的共性．具有热电性的晶体称为热电体。图7.4-2铁电体的电滞回线从晶体结构对称性来看，C n和C nv(n = 1，2，3，4，
6)两类共10个点群均可能存在自发极化现象。不具有对称中心对称性的晶体，除O-432点群外，都可能出现压电性。极性点群都是非中心对称的，反之则不然。所以，所有的铁电体都具有压电性，但压电晶体不一定都是铁电体。
晶体在整体上呈现自发极化，意味着在其正负两端分别有一层正的和负的束缚电荷，束缚电荷产生的电场在晶体内部与极化反向，使静电能升高，这导致均匀极化的状态是不稳定的。实际上晶体存在着电畴，每个电畴内部电偶极子取向相同，不同的电畴电偶极子的取向则不同。
由于电畴的存在，铁电体的极化随电场变化而变。电极化强度和电场强度正的关系可以用和磁滞回线相类似的电滞回线表示。图7.4-2中的曲线CBDFGHC 即为电滞回线。
晶体的铁电性通常只存在于一定的温度范围。当温度超过某一数值时，自发极化消失，铁电体变为顺电体，该温度即为居里温度(T c)。
表7.4-1列出若干常见的铁电晶体，它们的结构特征都是有一种正离子可以
相对iO 3是人们最熟知的一种。KNbO 3和BaT 3，它们的晶体结构示于图7.4-3中。
由图表7.4-1 铁电晶体的结构和性质
于它们邻近的阴离子发生显著的位移，常常偏离正多面体中心达10pm 量级，因而出现电偶极矩和很高的介电常数。
钙钛矿型铁电晶体得到广泛研究，BaT iO 3同属钙钛矿型的结构，有着相似的一系列相变，都具有很强的非线性光学效应，是重要的电光和非线性光学材料。
铌酸锂型铁电体主要有LiNbO 3和LiTaO 可见[NbO 6]或[TaO 6]八面体的C 3轴和晶胞c 轴平行，低温铁电体的结构是正离子沿C 3轴偏心位移，使晶体出现极性。LiNbO 3和LiTaO 3是以高居里温度和高自发极化著称的铁电体，它们的居里温度分别为1210℃和620℃，具有良好的压电、电光和声光特性。
图7.4-3 LiNbO 3的晶体结构
钨青铜型结构的铁电体仅次于钙钛矿型，是第二大类铁电体。其结构和钙钛矿型相似，以Sr 1-x Ba x (NbO 3)2为例，当x = 0.25时，四方晶胞a = 125 pm ，c = 40 pm 。结构中[NbO 3]八面体共顶点连接成图7.4-4所示的结构，沿c 轴再共顶点连接而成。由图可见，晶胞中三元环太小，不能容纳Sr 和Ba ，每个晶胞有2个四元环，4个五元环，均可容纳Sr 和Ba ，而Sr 和Ba 只有5个，所以结构是未填满的。
磷酸二氢钾(KDP)，KH 2PO 4，是氢键型铁电体。在KH 2PO 4晶体中，每个
所示。
[(HO)2PO 2]-周围都被4个[(HO)2PO 2]-基团按四面体方式以氢键相连，如图7.4-5
图7.4-4 Sr 1-x Ba x (NbO 3)2的晶体结构
（图中阴影八面体代表NbO 6基团）图7.4-5 KH 2PO 4晶体中，[(HO)2PO 2]-和周围4个相同离子以O-H…O 氢键相连
低于121 K 时，晶体中氢键上的H 原子会有序地同时在PO 4一侧排列，出现自发极KDP 类的Q 开关介电常数，对温度改变表现出大的热释电响应，在应
受到光照而引发其某些电性质变化的这一现象称为光电效应。光电效应光照射作用时，电导率发生变化的现象，称为光电导效应。产生化，当加一电场到晶体上，H 原子又会有序地排列在另一侧，如图7.4-6所示。
图7.4-6在电场中，KH 2PO 4晶体中H 原子的有序排列会随电场而改变
晶体最受人们注意的是其优良的电光性能。适合于制作激光器，以用作电光调制等。
铁电材料对电信号表现出高及力或声波作用下具有强的压电效应和声光效应，在强电场作用下，具有显著的电光效应。另外铁电材料在强光辐照下，电子被激发引起自发极化的变化，从而出现许多新的现象，如光折变效应等。铁电材料具有的这些性质，已为它的应用开辟了广阔前景。
7.5 功能转换材料7.5.1 光电转换材料1. 光电效应
物质由于主要有光电导效应、光生伏特效应和光电子发射效应三种。前两种效应在物体内部发生，统称为内光电效应，它一般发生于半导体中。光电子发射产生于物体表面，又称外光电效应。它主要发生于金属中。
(1) 光电导效应
物质在受到这种效应的原因在于材料吸收光子后，其中的载流子浓度发生了改变。
光子的能量h ν若大于半导体的禁带宽度E g ，则价电子将可以被激发至导带E C ，效应
半导体的p-n 结上，则在p-n 结两端会出现电势差，p 区为正应的原理为：当半导体材料形成p-n 结时，由于载流子存在浓度差，果光子能量h ν＞E g ，在p-n 结附近激发出电子空穴对到光照射时，其表面和体内的电子因吸收光子能量而被激是能把光能转变为电能的一类能量转换功能材料。
这里我们主要介出现附加的电子－空穴对，从而使电导率增大，这种情况为本征光电导；若光照仅激发禁带中的杂质能级上的电子或空穴而改变其电导率，则为杂质光电导。本征光电导用于检测可见光和近红外辐射，杂质光电导用来检测中红外、远红外辐射。
(2) 光生伏特 如果光照射到极，n 区为负极。这一电势差可以用高内阻的电压表测量出来，这种效应称为光生伏特效应。
光生伏特效n 区的点子向p 区扩散，而p 区的空穴向n 区扩散，结果在p-n 结附近，p 区一侧出现了负电荷区，而n 区一侧出现了正电荷区，称为空间电荷区。空间电荷的存在形成了一个自由键电场，电场方向由n 区指向p 区。虽然自建电场分别阻止电子由n 区向p 区、空穴由p 区向n 区进一步扩散，但它却能推动n 区空穴和p 区电子分别向对方运动。
当光子入射到p-n 结时，如。在自建电场的作用下，n 区的光生空穴被拉向p 区，p 区的光生电子被拉向n 区，结果n 区积累了负电荷，p 区积累了正电荷，产生光生电动势。若将外电路接通，则有电流由p 区流经外电路至n 区，这种效应就是光生伏特效应。利用光生伏特效应原理不仅可以制作探测光信号的光电转换元件，还可以制造光电池——太阳能电池。
(3) 光电子发射效应
当金属或半导体受发， 如果被激发的电子具有足够的能量，足以克服表面势垒而从表面离开，产生了光电子发射效应，如果光子的频率小于某一νmin 值，即使增加光的强度，也不能产生光电子发射。一个光子与其所能引致的发射光电子数之比，称为量子效应η，实用材料的η值一般为0.1~0.2。利用光电发射效应可制成光电发射管。
2. 光电材料
光电材料
绍三又称之为外光电效应材料。当光照射到材料上，光被材料吸收产材料后，光被材料吸收，吸收
的能种光电功能材料：光电子发射材料、光电导材料和光电动势材料。
(1) 光电子发射材料
光电子发射材料生发射电子的现象称为光电子发射现象。具有这种现象的材料称为光电子发射材料。光电子发射现象是光－电子能量转
换的结果。
当光照射量克服结合能和给予电子运动速度。依
能量守恒原理，可以得到下式：
νh =E 结合+mv 2
当v =0时，上式可变为0νh =E 结合，这时光能
，能带结构
如图=х+E g=Φ+δ 式中х——导带底到静止自由电子能级的能量差，即是电子亲和势；止自由电子能级的能量差，也即是逸出功；
导带和价带重叠，δ趋近于零，因而 ，从价带跃迁亲和势阴极材料和负电子亲和势热阴极材料。
前图7.5-1 能带结构
完全用于克服电子的结合能。
这里，E 结合与能带结构有关7.5-1所示。对于固体材料来说一般采
用以下表示式：
E 结合 E g ——禁带宽度；
Φ——费米能级到静 δ——价带顶端到费米能级的能量差。
对于金属来说，因为金属没有禁带，所以 E 结合主要是取决于Φ的大小。Φ的大小一般1~5eV 在之间。
对于半导体，价电子逸出体外的条件是价电子吸收光子的能量以后到导带，然后再向表面扩散，它的能量如果仍然大于х+E g 时，则电子可以逸出体外。能量大于E g 的电子被称为热电子。因此，E 结合主要取决于х与E g 之和。但是，对于热电子来说，电子逸出只要克服х。х为正时称为正电子亲和势；х为负时，称为负电子亲和势。
光电子发射材料包括正电子者主要有单碱-锑正电子亲和势阴极材料，其中单碱可为锂、钾、铷、铯，以及
多碱-锑正电子亲和势阴极材料，其中多碱可为钠－钾，钾－铯等，此外，还有银－氧－铯，铯－铋，铋－银－氧－铯和半导体正电子亲和势阴极材料。后者主要包括硅，磷化镓，铟化砷镓，磷化砷镓铟。这类材料比正电子亲和势材料的光电转换效率高，光谱响应宽，暗电流低以及光电子结合能小。其积分灵敏度可以达到100~8300μA/lm 。其性能显著优于正电子亲和势材料。这也是光电子发射材料的发展方向。
利用光电子发射原理，可以把光电子发射材料作成光电子阴极，这种光电子发射急剧上升的现象被称为光电导现导材灵敏度S 代表光电导产生的灵敏度，也就是单位光入射通阴极通过电场并配以荧光屏成像就可以作成光电转换器微光管，光电倍增管，高灵敏度电视摄像管，图象倍增管等。
(2) 光电导材料
受光照射电导象。具有此现象的材料叫光电料。光照到半导体上，价带的电子接受能量，使电子脱离共价键。当光的能量达到禁带宽度的能量值时，价带的电子跃迁到导带，因而在晶体中产生一个自由电子和一个空穴，这是两种载流子，它们都参与导电。由于光的作用产生的附加电导称为光电导。这就是光电导原理。
光电导材料的特征值表现为：
(a) 积分灵敏度
光电导材料的积分量产生的电导率的附加值的大小。积分灵敏度定义式为：Φ=/σS 。式中为Φ光入射通量，σ为电导率。
(b) “红限”或长波限
由于光电导不存在明显的长波限，所以规定光电导数值降到最大值一半的波长为长波限“红限”。其代表产生光电导的波长上
限。
(c) 光谱灵敏度
图7.5-2 锗的本征光电导的光谱分布
用λ?S 光谱曲线表示光谱灵敏度。图7.5-2表
示典型的体本征光电导的光谱分布。按照各种
使用要求选择半导体材料，以满足对S 、半导λ的要求，
这对材料有重要的实际意义。
(d) 灵敏阈
能够测出该材料光电导的最小光辐射量称为灵敏阈。
e ，Si ），氧化物（ZnO ，
外，光电导材料还可按用途分为远红外区光导体，近红外区光导体，可见区光应的原理，
它常用作光探测的光敏一个n 型半导体与一个p 型半导体接触，为保持其电中为空穴，在n 侧多数载流子为电子，因此它们必然通过扩情形就大不一样了。光照时p-n 结能够吸太阳能电池，所用的材料光电导材料可分为三类：1）光电导半导体，包括单体（G PbO ），镉化物（CdS ，CdSe ，CdTe ），铅化物（PbS ，PbSe ，PbTe ），其他（Sb 2S 3，InSb ）等；2）光电导陶瓷，CdS 陶瓷，CdSe 陶瓷等都是光电导陶瓷；3）有机高分子光导体，如聚氮乙烯咔唑和2，4，7－三硝基芴酮组成的传荷络合物等属此类。
此导体，X 射线光导体和电子射线光导体等。
光电导材料主要是应用光生载流子产生光导效感器件的材料。如作可见光、红外光的半导体光电导型光敏元件的材料以及半导体光电二极管的材料。
(3) 光电动势材料
在半导体p-n 结中，性，将会在结的p 侧存在自由空穴及相等浓度的(-)电离受主杂质原子，在结的n 侧存在自由电子及相等数目的(+)电离施主杂质原子。无外加电场时，载流子与受主和施主杂质原子处于热平衡，因此在晶体各处空穴浓度与电子浓度之和为常值，符合质量作用定律。
由于在p 侧多数载流子散作用分别向对方转移。这就破坏了其原有的电中性；由此产生的电荷偶极层就出现了一个自n 区指向p 区的电场，它阻止继续扩散。这种电场被称为内建电场。在此偶极层中，正负电层中的电子和空穴数目都很少，所以电阻很高，起到了阻止电子和空穴扩散的作用。因此，尽管有内建电场存在，但是在整个p-n 结中并无外场电动势，外电场为零。
对于上述情况，如果有光照射时，收光子，由于光激发而使电子和空穴激发。又由于存在内建电场，因此受其作用，空穴将向p 区移动而积累，电子向n 区移动而积累。
光电动势材料主要为光电池，其中最活泼的领域是主要有：硅太阳能电池，是半导体太阳能电池的一种，可分为单晶硅太阳能电池、
多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种；薄膜太阳能电池，这种电池的优点是质量轻，可制成大面积膜而且还可以弯曲。缺点是工艺复杂，质量不稳定，转换效率也不够高；陶瓷太阳能电池，以硫化镉为主，它的优点是制备简单，成本低。缺点是稳定性差。
3. 电光材料
电光材料大部分是晶体，它们最重要的用途是用于制造光调制元件及用于光长范围内对光的吸收和散射要小，而折表7.5-1 主要电光晶体及其性质 晶体种类
K 折射率n 0介电常数 半波电压偏转、可变谐振滤波和电场的测定等方面。
电光材料要求质量较高，它要求在使用波射率随温度的变化不能太大。同时，电光系数、折射率和电阻率要大，介电损耗角要小，能满足上述要求的理想电光晶体不是很多，电光晶体从结构上可分为五类，列于表7.5-1。
居里点KH 2PO 4
123 1.51 21 7650 N 4
H 4H 2PO 148 1.53 15 9600 KDP 型晶体 NH 4H 2AsO 4
216 - 14 13000 BaTiO 3393 2 .40- 310 Pb O 9~1 ~ 3MgNb 2265 2.56 041250立方钙
钛矿型
晶体
SrTiO 333 2.38 - - KT O 3~ ~90 a X Nb 1-X 283 2.318 - LiTaO 3933 2.176 - 2840 铁
钙钛矿εa =98 c =51.5 电性
型晶体
LiNbO 31483 2.286 ε2940 ZnS - 2.36 8.3 10400 GaAs - 3.60 11.2 ~5600
闪锌矿
型晶体 CuCl - 2.00 7.5 6200
Sr 0.75b 2O 53 6Ba 0.25N 33 2.31 500 37 K 3Li 2Nb 5O 15
693 2.28 100 330 钨青铜
型晶体 Ba 2NaNb 5O 5833 2.37 51 1720
将金属氧化物为主的粉末置于高温下烧结而成的，
它的显微结构由细小的陶瓷是晶粒所构成，由于晶界的光散射，一般是接近于白色的不透明体。但近年来
由于陶瓷制造工艺的发展，出现了热压法、微细粉末精制法等，可制成更致密的陶瓷，以及随着添加剂研究的进展，成功地研制出致密的、可控制光的界面散射的透光性陶瓷，其代表是PLZT 陶瓷。PLZT 是用La 置换PbTiO 3－PbZrO 3中部分Pb 的固溶体，其组成为：(Pb 1-X La X )(Zr 1-Y Ti Y )O 3。由于既有铁电性，对可见光和红外光又是透明的，所以呈现电光效应。PLZT 陶瓷的电光常数比电光晶体的约大一个数量级。PLZT 陶瓷材料可通过控制材料组成，自由地调整其电光性质。由于陶瓷材料很容易制成任意形状和大小的元件，故适合于大量生产和加工，与电光晶体相比，价格便宜，是一种性能优良的材料。
电光效应最重要的应用是作电光快门，从光源发出的自然光通过起偏片变成纵向作为激光器的Q开关，在激光通信、激光显的物体，受磁场影响后其光学特性发生变化的现象称为磁光效应。时，其偏振光面将发生偏转，体的长度l 之间存在如下关系
振动的平面偏振光，如果电光晶体没有受电场作用，这束偏振光通过晶体时将不发生振动方向的偏转，即仍是纵向振动的平面偏振光。但检偏片只允许水平振动的偏振光通过，纵向振动的偏振光不能通过，因而此时没有光输出，相当于快门关闭。如果在电光晶体上施加一个电压，由于电光效应使光的振动方向发生偏转，于是开始有光输出。随着施加电压大小的改变，光输出的大小也在变化。当所加电压调到某一电压值使光振动方向偏转到水平方向时，光输出达到最大，相当于快门全部打开。这个电压称为半波电压。这是因为晶体上施加的电压为半波电压时，纵向振动的平面偏振光通过晶体后，变成了水平振动的平面偏振光，从而顺利地通过检偏片成为输出光。由此可见，电光晶体在这里起着光开关的作用，而打开这个开关的则是半波电压。
电子快门在激光技术中的重要应用是示、敷光雷达以及高速摄影中，Q开关都有重要的应用。
7.5.2 磁光材料
(1) 磁光效应
置于磁场中磁光效应有磁光法拉第效应、磁光克尔效应等。
1846年法拉第发现平面偏振光通过带磁性的物体这种现象称为磁光法拉第效应，见图7.5-3。
法拉第偏转角α与磁场强度H 及偏振光所通过物
α=VelH
其中，Ve 称为维尔德常数，H 为磁场强材料的Ve 较小。如果Ve 高，则
拉第效应产生的过程是，当平面偏振光在带磁物体中通过时，
被分解成左旋圆振面偏转角度随磁场与光同的吸光特性，用光谱仪测量其透射光及可求出该物质吸收的光的波长。用图7.5-6的实验方法，在将冷却气体吹度。一般是非常有用的磁光材料。
图7.5-3 磁光法拉第效应
图7.5-4 磁光克尔效应
法偏振光和右旋圆偏振光，由于磁场的作用，左、右旋两圆偏振光的传播速度各异。于是，从带磁物体端面出射的合成偏振光产生了偏转。
克尔发现照射到强电磁铁极面上的直线偏振光反射时，其偏强度而变化，这种现象称为磁光克尔效应，见图7.5-4。
法拉第效应与克尔效应虽同是磁
图7.5-5 法拉第效应与磁光克尔效应的比较
之间的物理效应；但二者的用法不
同，见图7.5-5。当实验光对磁光敏感
功能材料具有较好的穿透特性时，可应
用法拉第效应制成敏感元器件；当实验
光不能穿透所用磁光材料，而只能在材
料表面反射时，则只能设法利用磁光克
尔效应制成相应的敏感元件。
一般说来，任何物质都具有程度不反射光，便向试样的同时，从一侧入射实验光，若无外磁场作用，其光吸收特性曲线形状简单(图7.5-7)。当在入射光垂直方向上外加磁场Ｂ时，发现试样的吸收系数呈振荡变化，此现象为振荡性磁光效应。图7.5-8为锗的光吸收系数比随入射光
频振荡性变化的情形，图中纵坐标是有外磁场时的吸收系数与无外磁场时的吸收系数之比。
科顿和蒙顿发现，当光照射到硝基苯等芳香族化合物时，若在与入射光相垂直的方向上加上外磁场，化合物便可呈现双折射特性，即一束入射光变为两束出
射光——正常光与异常光。这种现象称为科顿-蒙顿效应，见图7.5-9。 利用材料的磁光效应，可做成各种磁光器件，
少得多，在应用上也远不如电光材料那分为磁光晶体材料、磁光玻璃材料和磁光液体材料(1) 磁光晶体材料
磁光晶体材料是指在强磁场作用下，光学性质会发生变化的晶体。一类是具图7.5-7 无外磁场时的吸收特
性
图7.5-6 振荡性磁光效应测量方
法可对激光束的强度、相位、频率、偏振方向及传输方向进行控制。
2. 磁光材料的特点及种类
与电光材料相比，磁光材料的种类要样普遍。磁光材料按其状态可三种。
图7.5-8 锗的振荡性磁光效应 图7.5-9 科顿-蒙顿效应
有磁致旋光效应的晶体，另一类是具有磁致双折射效应的晶体。磁光晶体的典型代表为亚铁磁性石榴石。还有很多磁性材料，具有突出的磁光效应，它们是尖晶石铁氧体、正铁氧体、钡铁氧体、二价铕的化合物、铬的三卤化物和一些金属。
亚铁磁石榴石一般表示为{R}Fe 5O l2，其中R为稀土金属离子，如Gd 3Fe 5O l2，Dy 3Fe 30l2，Ho 3Fe 5O l2，Er 3Fe 5O l2，Tm 3Fe 5O 12，Y 3Fe 5O 12，Cd 1.5Y 1.5Fe 5O 12等。它们属于体
心立方系，每个晶胞有160个原子。亚铁磁石榴石单晶薄片对可见光是透明的，而对近红外辐射几乎是完全透明的。
(2) 磁光 磁光玻璃是具有较强磁光效应的玻璃，由基质玻璃中掺入一定量的稀土旋光离子所制成。因此，其结构上常由未成对成键电子的重原子或有大的自旋和轨道磁矩的磁性分子组成。它具有大的原子磁性或分子磁性，从而具有较大的磁光效应。
引起玻璃中法拉第效应的磁性离子大体上可分为两类。一类为抗磁性离子，如Pb 、Bi 、Tl 等；另一类为顺磁性离子，如Ce 、Pr 、Tb 等。含抗磁性离子的磁光玻璃，在外磁场作用下可引起入射光偏振面的正旋转。含顺磁性离子的玻璃，在外磁场作用下将引起入射光束偏振面的负旋转。
与磁光晶体相比，磁光玻璃成本低，易于获得大块，不同形状的器件，是较为常用的磁光材料。但其磁光系数一般较低，而且可见光损耗大，故常用于红外磁光器件。表7.5-2列出了几种磁光玻璃的性质。
表7.5-2 几种磁光玻璃的性质
玻璃材料
2+3+3+3+3+3+V/（1.26min.A -1） 玻璃牌号
0.633μm 1.06μm n D ZF-7（Si-Pb ）
+0.061 +0.025 1.806 SF-59（Si-Pb 2+）
+0.089 +0.028 1.952 EY-1（Si-Tb 3+）
-0.144 -0.041 1.610 FR-5（Si-Tb ）
-0.242 -0.069 3+ 1.671 FR-4（P-Ce 3+）
-0.137 -0.031 1.556 CG-26（P-Ce ）
-0.126 1.589 3+ (3) 磁光液体材料
有少数液体具有较为显著的磁致双折射效应，如水、丙酮、氯仿、苯等。由于这些液体的科顿-蒙顿常数比其他电光克尔常数小得多，故实际很少作为磁光介质来使用。
3. 磁光材料的应用
稀土过渡族金属薄膜，如Cd－Co，Ho－Co，Cd－Fe，Te－Fe等，具有较强的磁光效应，可制作磁光器件。
2S 4，
CoCrS 它们的光、电、成红外波Oμm)的磁光由于它们只液氮温度以下，应用受限。
费尔德常数的材料是一类十分有用的光学材料，含有大量Ga，In，Tl，Ge，光玻璃是顺磁性或逆磁性的弱磁材料，但由于它制造方便，应可制成许多磁光器件如调制器、隔离器、旋转器、环行器、探测和激光放大器等系统的光路中。
7.5.当声波在介质中通过时，由于光弹效应，介质的密度随声波振幅的强弱而产生相应的周期性的疏密变化，它对光的作用犹如条纹光栅。此时光束若以适当角度射入晶体内即产生衍射现象。这种声致光衍射现象称声光效应。具有声光效应的材料叫声光材料。
1. 声光效应
声和光是两种完全不同的振动形式，声是机械振动，而光是电磁波，20世纪20年代发现光被声波散射的现象，近年由于高频声学和激光的发展，促进了声光相互作用机理及声光技术的研究，并取得重大进展。
声波作用于某些物质之后，该物质光学特性发生改变，这种现象称为声光效应。超声波引起的声光效应尤为显著，这是因为超声波能够引起物质密度的周期使正在该物质中传输的光改变行进方向。
硫属化合物CdCr 4等是正尖晶石晶体结构的铁磁性材料，磁性能适宜制做段(1~l 器件，但能用于高Sn，Pb和Bi的离子的磁价格便宜，透光性好，因而有较大的应用范围。
具有磁光效应的半导体材料主要是锗、硅、硫化铅、锑化铟、砷化铟及亚锡酸镁等。
利用材料的磁光效相移器、锁式开关、Q开关等快速控制激光参数器件，也可用于激光雷达、测距、光通信、激光陀螺、红外3 声光材料
性疏密变化，因而可
声光效应有两种表现形式：外加的超声波频率较高时产生布拉格反射；外加的超声波频率较低时产生拉曼－纳斯衍射，见图7.5-10。
图7.5-10 声光效应的两种衍射形式
（a）布拉格反射；（b）拉曼-纳斯衍射
普通的衍射现象发生在光栅上，而声光效应所产生的衍射却是由于超声波的 作用，在物质内形成密度疏密波(起光栅作用)。因此，也称声光效应为“活动性光栅”。
超声波呈弹性应变传播，光弹性效应使介质的折射发生周期性变化。当超声
波频率较低(ω≤20MHz)，
声光相互作用长度较短(L ≤Χ2
/2λ),其中L 为超声波柱的宽度，Χ为超声波波长，λ为人射光波波长，光束与超声波面平行时，产生拉曼－纳斯声光衍射。类似于平面光栅的夫琅和费衍射，拉曼－纳斯声光衍射中平行光束垂直通过超声波柱相当于通过一个很薄的声光栅，再通过会聚透镜可在屏上观察到各级衍射条纹，可写为： Χsinθ=λm ± 2,1,0=m …
其中对称分布的±1次，±2次等高次衍射光，其强度逐级减弱。
，λ为介质中光波的波长。上式表示出各级衍射θ与光束的波长λ以及超声波的波长Χ的关系，以入射光前进方向的第零次衍射光为中心，产生在超声波前进方向上呈声光作用的另一个物理过程是布拉格反射。当超声波频率较高(ω＞20MHz)，声光作用较大(L ≥2Χ2/λ)，光波从与超声波波面成布拉格角θB 的射入，以同样的角度反射，其θB ，Χ及λ之间的关系为：
2Χsin θB n /0λ±=
其中，0λ为光波在真空中波长，n /0λ
为光波在介质中的波长，此时的声光效应
与晶体中X射线的一级X布拉格反射完全
相同。者特征的声光液体三大类。
(1) 声光晶体
其对温度的变化小等特点。
5O 2等，品质因素较好的声光晶体有PbMoO 4、Pb 2MoO 5、TeO 2、3等晶体。
-183此晶体声波损耗低，不吸潮，生长、处理和加工都比较容易，是制作实用声光器材的主要材料之一。
比PbMoO 4晶2晶体制作的声光器件，驱动功率小，器件体积小。
-183是一种优良的声光材料。
种材料，易于生长成优其性能要求是具有大的声光相互 尽管声光玻璃的某些性能不如声光晶体，Se 等是有代表性的声光玻璃。
(3) 声光液态材料
拉曼－纳斯衍射与布拉格反射可用Klein常数来区别：
2
0/λλn L Q =
Q ＜1为拉曼－纳斯衍射，Q ≥4π为布拉格反射。Q 处于中间值，出现具有两复杂情况。
2. 声光材料的种类
常用的声光材料有声光晶体，声光玻璃和声光晶体是指具有声光效应的晶体。除满足光学晶体的一般要求外，声光晶体还应具备品质因素大、声吸收系数低、声速及早期使用的声光晶体有LiNbO 3、LiTaO 3、α-Al 2O 3和R 3Al α-LiIO PbMoO 4晶体具有较高的声光品质因素，其M 2 = 36.3 x 10 s /g ，相当于LiNbO 3晶体的5倍多。TeO 2晶体的声光品质因素M 2远高于其他实用声光材料。
声损耗体稍高。用TeO α-LiIO 3晶体具有旋光、倍频、压电、电光、声光等多种效应。α-LiIO 3晶体的品质因素M 2高达86 x 10 s /g ，是PbMoO 4、TeO 2品质因素的两倍多，因而也对许多红外声光扫描和调制应用来说，Ge 是一比较好的质的大晶体。
(2) 声光玻璃
声光玻璃是指能产生强的声光相互作用的玻璃。作用品质因素，并有高的光学均匀性和低的光和声损耗。声光玻璃通常分为四类:熔石英；含重金属离子玻璃；硫属化合物玻璃；单质半导体玻璃。
但因其制造方便、体积大光学均匀性好和成本低廉，实际上仍然是重要的声光材料。熔石英、碲玻璃、致密火石、As 12Se 55Ge 55、As 2Se 3、非晶型
压电和铁电材料
7.4 热电、压电和铁电材料 根据固体材料对外电场作用的响应方式不同，我们可以把它们分成两类。一类是导电材料，即超导体、导体、半导体和绝缘体，它们是以传导方式传递外界电场的作用和影响（可以是电子传导、空穴传导和离子传导）。另一类固体材料则是以感应方式来传递外界电场的作用和影响，这类材料叫做介电材料或电介质材料。 电介质材料置于外电场作用下，电介质内部就会出现电极化，原来不带电的电介质，其内部和表面将受感应而产生一定的电荷。电极化可以用极化强度P 表示（单位体积内感应的偶极矩），这种电极化可以分为电子极化、离子极化和取向极化。有一类电介质即使无外电场的作用其内部也会出现极化，这种极化称为自发极化，它可用矢量来描述。由于这种自发极化的出现，在晶体中形成了一个特殊的方向，具有这种特殊结构的电介质，每个晶胞中原子的构型使正负电荷重心沿这个特殊方向发生相对位移，形成电偶极矩，使整个晶体在该方向上呈现了极性，一端为正，一端为负，这个特殊方向称为特殊极性方向，在晶体学中通常称为极轴。而具有特殊极性方向的电介质称为极性电介质。 晶体的许多性质，诸如介电、压电、热电和铁电性，以及与之相关的电致伸缩性质、非线性光学性质、电光性质、声光性质、光折变性质等，都是与其电极化性质相关的。晶体在外电场作用下，引起电介质产生电极化的现象，称为晶体的介电性。 7.4.1热电材料 1. 热电效应 (1) 塞贝克(Seebeck)效应 当两种不同金属接触时，它们之间会产生接触电位差。如果两种不同金属形成一个回路时，两个接头的温度不同，则由于该两接头的接触电位不同，电路中会存在一个电动势，因而有电流通过。电流与热流之间有交互作用存在，其温度梯度不但可以产生热流，还可以产生电流，这是一种热电效应，称为塞贝克效应，其所形成的电动势，称为塞贝克电动势。塞贝克电动势的大小既与材料有关，也是温度差的函数。在温度差?T较小时，塞贝克电动势E AB与温度差呈线性关系，即E AB=S AB?T，式中S AB为材料A和B的相对塞贝克系数。通常规定，在热端的电
铁电材料的特性及应用综述
铁电材料的特性及应用综述 孙敬芝 （河北联合大学材料科学与工程学院河北唐山 063009）摘要：铁电材料具有良好的铁电性、压电性、热释电以及性光学等特性以及原理，铁电材料是具有驱动和传感2 种功能的机敏材料, 可以块材、膜材(薄膜和厚膜) 和复合材料等多种形式应用, 在微电子机械和智能材料与结构系统中具有广阔的潜在应用市场。 关键词：铁电材料；铁电性；应用前景 C haracteristics and Application of Ferroelectric material Sun Jingzhi ( Materials Science and Engineering college, Hebei United University Tangshan 063009,China ) Abstract:Ferroelectric material has good iron electrical, piezoelectric , pyroelectric and nonlinear optical properties, such as a driver and sensing two function piezoelectric materials, can block material, membrane materials (film and thick film) and the compound Material of a variety of forms such as application, in microelectromechanical and intelligent materials and structures in the system with vast potential application market. Keywords: ferroelect ric materials Iron electrical development trend 0前言 晶体按几何外形的有限对称图象, 可以分为32 种点群, 其中有10 种点群: 1, 2, m , mm 2, 4,4mm , 3, 3m , 6, 6mm , 它们都有自发极化。从对称性分析它们的晶体结构都具有所谓的极轴, 即利用对称操作不能实现与晶体的其它晶向重合的轴向, 极轴二端具有不同的物理性能。从物理性质上看, 它们不但具有自发极化, 而且其电偶极矩在外电场作用下可以改变方向。在介电强度允许条件下, 能够形成电滞回线。晶体这种性能称为铁电性, 具有铁电性的材料称为铁电材料。1920 年法国人V alasek 发现了罗息盐(酒石酸钾钠 ) 的特异介电性, 导致“铁电性”概念的出现(也有人认为概念出现更早)。现在各种铁电材料十分丰富,
常用的压电材料分类
常用的压电材料分类 第一类是无机压电材料，分为压电晶体和压电陶瓷，压电晶体一般是指压电单晶体；压电陶瓷则泛指压电多晶体。 压电陶瓷是指用必要成份的原料进行混合、成型、高温烧结，由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的微细晶粒无规则集合而成的多晶体。具有压电性的陶瓷称压电陶瓷，实际上也是铁电陶瓷。在这种陶瓷的晶粒之中存在铁电畴，铁电畴由自发极化方向反向平行的180 畴和自发极化方向互相垂直的90畴组成，这些电畴在人工极化（施加强直流电场）条件下，自发极化依外电场方向充分排列并在撤消外电场后保持剩余极化强度，因此具有宏观压电性。如：钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT 等。这类材料的研制成功，促进了声换能器，压电传感器的各种压电器件性能的改善和提高。 压电晶体一般指压电单晶体，是指按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心，因此具有压电性。如水晶（石英晶体）、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等。 相比较而言，压电陶瓷压电性强、介电常数高、可以加工成任意形状，但机械品质因子较低、电损耗较大、稳定性差，因而适合于大功率换能器和宽带滤波器等应用，但对高频、高稳定应用不理想。石英等压电单晶压电性弱，介电常数很低，受切
型限制存在尺寸局限，但稳定性很高，机械品质因子高，多用来作标准频率控制的振子、高选择性（多属高频狭带通）的滤波器以及高频、高温超声换能器等。近来由于铌镁酸铅 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3单晶体（Kp ≥90%, d33≥900×10-3C/N, ε≥20,000）性能特异，国内外上都开始这种材料的研究，但由于其居里点太低，离使用化尚有一段距离。 第二类是有机压电材料，又称压电聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）及其它为代表的其他有机压电（薄膜）材料。这类材料及其材质柔韧，低密度，低阻抗和高压电电压常数(g)等优点为世人瞩目，且发展十分迅速，现在水声超声测量，压力传感，引燃引爆等方面获得应用。不足之处是压电应变常数（d）偏低，使之作为有源发射换能器受到很大的限制。 第三类是复合压电材料，这类材料是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状、或粉末状压电材料构成的。至今已在水声、电声、超声、医学等领域得到广泛的应用。如果它制成水声换能器，不仅具有高的静水压响应速率，而且耐冲击，不易受损且可用与不同的深度。
弛豫性铁电压电单晶体
弛豫性铁电压电单晶体 压电网万学华整理waxeh@https://www.wendangku.net/doc/096405014.html, 近年来，在新型压电晶体的研究中，弛豫性铁电单晶铌镁酸铅-钛酸铅[（1-x） Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-x PbTiO3,简记为（PMNT）]和铌锌酸铅钛酸铅[（1-x）PB(Zn1/3Nb2/3)O3-x PbTiO3,简记为PZNT]以其优良的压电性能而令世人注目，1997年Park和Shrout报道，利用熔盐法成功制备了高质量的PZNT单晶，并报道了各种切型的PZNT单晶晶片介电，压电和铁电性能。如组分为0.92PZN-0.08PT的晶体，沿（001）方向的压电常数d33高达2500pC/N,为PZT材料的3～6倍；压电耦合系数K33为0.94，是现有压电材料中最高的。世界著名杂志Science评论说，这类材料将是新一代高效能超声换能器和高性能微位移器和微驱动器的理想材料，可以预期，在21世纪初叶，对弛豫性铁电单晶的理论和应用研究将会取得更大的进展。 1．弛豫铁电体 含铅弛豫钙钛矿型铁电体是ABO3型钙钛矿型化合物的一个重要分支，其化学通式为 Pb(B1,B2)O3，其中B1为低电价，大半径阳离子，如Zn2+,Ni2+,Mg2+,Fe3+,Sc3+等，B2为高电价，小半径阳离子，如Ta5+,Nb5+,W6+等，通过B位不同离子的复合，可得到一系列具有重要应用的复合钙钛矿型结构固溶体。前苏联学者Smolensky等人于20世纪50年代末首次合成的复合钙钛矿结构铌镁酸铅[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(PZN),Pb(Sc1/2Nb1/2)O3(PSN),Pb(Ni1/3Nb2/3)O3(PMN)等系列的固溶体，均具有与PMN类似的介电特性，后来，人们将PMN类材料称为弛豫铁电体（relaxor ferroelectrics,简称RFE），而将BaTiO3等铁电体称为普通铁电体或正常铁电体。迄今为止，研究最多和应用较广的弛豫铁电体主要是各类铅系复合钙钛矿结构的Pb(B1B2)O3系列材料，最具有代表性的有 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(PMN),铌锌酸铅Pb(Zn1/3Nb2/3)O3(PZN)和钽钪酸铅Pb(Sc1/2Ta1/2)O3(PST)等。 与普通铁电体相比，弛豫铁电体有两个最基本的介电特性：1.弥散相变（diffuse phase transition, 简称DPT）：即从铁电到顺电的相变是一个渐变过程，没有一个确定的居里温度T c，通常将其介电常数最大值所对应的温度T m作为一个特征温度，在转变温度T m以上仍然存在较大的自发极化强度；2.频率色散：即在T m温度以下，随着频率增加，介电常数下降，损耗增加，介电峰和损耗峰向高温方向移动。 普通铁电体与弛豫铁电体介电特性的主要区别在介电温度特性，介电频率特性，自发极化强度三个方面，见表1。 由于弛豫性铁电体具有很高的介电常数，相对低的烧结温度和由“弥散相变”得出的较抵容温变化率，大的电致伸缩系数和几乎无滞后的特点，使其在多层陶瓷电容器急新型电致伸缩器
电子材料与元器件教学大纲
电子材料与元器件教学大 纲 Final approval draft on November 22, 2020
《电子材料与元器件》课程教学大纲 课程编号：010192 适用专业：应用电子技术专业 学时数：60（讲课：40，上机：20）学分数：4 执笔者：张恒审核人：编写日期： 建议教材与教学参考书：[1]《电子材料与元器件》电子工业出版社陈颖主编 一、课程的性质和目的： 《电子材料与元器件》是高等职业学校工业应用电子技术、自动化和机电一体化等专业的一门重要的专业必修课，是与实际生产相结合的基本课程，是电子类技术人才必须掌握的基础知识。本大纲根据高等职业学校机电类专业教学计划制订。 本课程是一门技术性与实践性较强的应用学科，教学中必须坚持理论联系实际的原则，让学生有一定的动手练习机会。可按照相关的课程内容，相应的组织实验、模拟实习、焊接练习，以提高学生的理解深度和动手能力，从而提高学生对电子材料与元器件的处理问题的能力。 本课程的教学任务是：讲授常用电子材料以及各种常用电子元器件：电阻器、电容器、电感、接插件、晶体管、集成电路的外形，命名和标识，检测和使用等方面的知识，把学生培养成为具有一定理论与实践相结合的高等职业技术人才。 本课程是一门技术性与实践性较强的应用学科，教学中必须有时注意理论联系实际的原则，让学生有相应的动手练习机会。由于受课时量的限制，可按照相关的课程内容，组织相应的元器件识别、以提高学生的对电子元器件的识别能力、应用能力 二、教学目标和基本要求： 教学目标： 通过本课程的学习，把学生培养成为具有一定电子技术知识和操作能力，能够独立分析、解决有关材料和元器件问题的高等职业技术人才。 （一）理论方面： 本课程的教学任务是：使学生掌握常用电子材料以及各种常用电子元器件：电阻器、电容器、电感、接插件、晶体管、集成电路的外形，命名和标识，检测和使用等方面的知识，为学习后续课程和今后的工作准备必要的基础知识，以及同时也
铁电性能综合测试概要
铁电薄膜的铁电性能测量 引言 铁电体是这样一类晶体:在一定温度范围内存在自发极化,自发极化具有两个或多个可能的取向,其取向可能随电场而转向.铁电体并不含“铁”,只是它与铁磁体具有磁滞回线相类似，具有电滞回线，因而称为铁电体。在某一温度以上，它为顺电相，无铁电性，其介电常数服从居里-外斯（Curit-Weiss）定律。铁电相与顺电相之间的转变通常称为铁电相变，该温度称为居里温度或居里点Tc。铁电体即使在没有外界电场作用下，内部也会出现极化，这种极化称为自发极化。自发极化的出现是与这一类材料的晶体结构有关的。 晶体的对称性可以划分为32种点群。在无中心对称的21种晶体类型种除432点群外其余20种都有压电效应，而这20种压电晶体中又有10种具热释电现象。热释电晶体是具有自发极化的晶体，但因表面电荷的抵偿作用，其极化电矩不能显示出来，只有当温度改变，电矩（即极化强度）发生变化，才能显示固有的极化，这可以通过测量一闭合回路中流动的电荷来观测。热释电就是指改变温度才能显示电极化的现象，铁电体又是热释电晶体中的一小类，其特点就是自发极化强度可因电场作用而反向，因而极化强度和电场E 之间形成电滞回线是铁电体的一个主要特性。 自发极化可用矢量来描述，自发极化出现在晶体中造成一个特殊的方向。晶体红，每个晶胞中原子的构型使正负电荷重心沿这个特殊方向发生位移，使电荷正负中心不重合，形成电偶极矩。整个晶体在该方向上呈现极性，一端为正，一端为负。在其正负端分别有一层正和负的束缚电荷。束缚电荷产生的电场在晶体内部与极化反向（称为退极化场），使静电能升高，在受机械约束时，伴随着自发极化的应变还将使应变能增加，所以均匀极化的状态是不稳定的，晶体将分成若干小区域，每个小区域称为电畴或畴，畴的间界叫畴壁。畴的出现使晶体的静电能和应变能降低，但畴壁的存在引入了畴壁能。总自由能取极小值的条件决定了电畴的稳定性。 参考资料 [1]钟维烈，铁电物理学，科学出版社，1996。 [2]干福熹，信息材料，天津大学出版社，2000 [3]J.F.Scoot,Ferroelectric Memories,Springer,2000。 实验目的 一、了解什么是铁电体，什么是电滞回线及其测量原理和方法。 二、了解铁薄膜材料的功能和应用前景。 实验原理 一、铁电体的特点 1．电滞回线 铁电体的极化随外电场的变化而变化，但电场较强时，极化与电场之间呈非线性关系。在电场作用下新畴成核长，畴壁移动，导致极化转向，在电场很弱时，极化线
压电元件及压电感器
压电元件及压电感器
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压电元件及压电传感器 一、压电效应 某些晶体(电介质)在一定方向受到外力作用时，内部将产生极化现象，相应地在晶体的两 个表面(称为极化而)产生符号相反的电荷；当外力作用除去时，义恢复到不带电状态；当作用 力方向改变时．心荷的极性也随之改变。这种现象称为压电效应。反之，若存电介质的极化方 向施加电场，则电介质会产生机械变形。这种现象称为逆压电效应或电致伸缩效败。 所示为压电效应，图2示为压电效应的可逆性。 具有压电效应的物质很多，pJ分为 兵他申品；二是压电陶瓷(多晶半导瓷) 压电材料阿种。 1．压电晶体 —大类：足斥电品休(申晶)，它包括压电石英仍体和 三是新型压电材料，其中有压电半导体和行机高分子 出品体学uJ知．尤对稠；中心的品体，通常具有压电件。具有压电性的孕晶体统称为压电晶 体。石英品体是最典型的常用比，巴晶体。 石英晶体(si()如俗称水品，有大然与人—L之分。石英晶体的主要性能特点是： (1)压电常数小(矗M＝2．31×10“!C／N)，兵时间勺温皮稳定性极好，常温下几乎刁；变，
20一200℃范围内其温度变化率仅为一o．ol 6％／℃；当温度达到573℃时，石英晶体将会丧失 压电特性。因此573℃称为石英晶体的居里点。 (2)机械强度和质量因素高，许用血力高达(6．8—9．8)×10’Pa，只刚度大，固有频率高v动态特性灯。 (3)太热环电件 感器。 2．压电陶瓷 且绝缘性、重复性纤。常用于精度和稳定性要求高的场合和制作初i准作 乐电陶瓷的特点是：从屯常数远大于心英晶体的压电常数，故人敏度高；制造工艺成熟，可 通过配人和掺杂碎人工拌制来达到所要求的性能‘成本低廉，为石英晶体的1％一10火．有利 于广泛府用；除具止屯性外，还具有热释电性，因此它III作为热电传感器件而用于红外探测器 中。但这会给乐http://www.ebv.hk电传感器造成热下扰，降低J”稳定性。 常用的压电陶瓷主要有以下几种： (〔)钻酸刨(Eall()3) 钻酸钡具仑较高的压电常数(d”— 数大(1000一5000)。居坠点为1201：．机械强度低于心焚晶体 (2)怯歇酸铅系压电陶瓷(PZT) 铅钻酸铅是出PbTIQ和P比KL组成的固熔体凡(Zr· 引)()s o它有较高的斥电常数(dM＝2u[]×10—M一50()×10—“C／N)利居里点(300℃以卜)。是 r1前常用的一种压电材料。苦加入微量的谰(Za)、妮(NL)或锑(sb)等．可得4；向性能的PZ“1’ 材料。
《电子材料与器件》课程教学大纲
课程编号：05064410 《电子材料与器件》课程教学大纲 （Electronic Materials and Devices） 适用于本科电子信息工程专业 总学时：16学时总学分：1学分 开课单位：物理系课程负责人：郑洁 执笔人：郑洁审核人：白心爱 一、课程的性质、目的、任务（黑体小四号，下同） 《电子材料与器件》是电子信息工程专业的一门重要的专业任选课，是电子类技术人才必须掌握的基础知识。 本课程是一门技术性与实践性较强的应用学科，教学中必须坚持理论联系实际的原则，让学生有一定的动手练习机会。组织相应的元器件识别、以提高学生的对电子元器件的识别能力、应用能力。 本课程的教学任务是：讲授常用电子材料以及各种常用电子元器件：电阻器、电容器、电感、接插件、晶体管、集成电路的外形，命名和标识，检测和使用等方面的知识，把学生培养成为具有一定理论与实践相结合的高等职业技术人才。 通过本课程的学习，把学生培养成为具有一定电子技术知识和操作能力，能够独立分析、解决有关材料和元器件问题的高等职业技术人才。 二、教学基本要求 1、讲授与实验相结合，围绕基本概念、元器件工作原理、结构和应用为主进行教学。 2、本课程应保证学生有充分的实验时间，使他们在实践中不断地发现问题并解决问题，达到教学大纲规定的要求。 3、要注意培养学生的自学能力，在教学中注意引导学生自己发现电子元器件的问题，提出问题，分析问题，培养他们独立解决问题的能力。 三、教学内容、目标要求与学时分配 第1章电子材料 教学内容： 1.1 绝缘材料 1.2 导电材料 1.3 磁性材料 教学目标要求：熟悉各种电子材料的特性，掌握它们的应用。
压电材料及其应用
压电材料及其应用 学院：材料学院 专业：材料科学与工程系班级：1019001 姓名：李耘飞 学号：1101900118
压电材料及其应用 李耘飞 材料科学与工程 1101900118 一、压电材料的定义 压电材料是指可以将压强、振动等应力应变迅速转变为电信号,或将电信号转变为形变、振动等信号的机电耦合的功能材料。 当你在点燃煤气灶或热水器时,就有一种压电陶瓷已悄悄地为你服务了一次。生产厂家在这类压电点火装置内，藏着一块压电陶瓷，当用户按下点火装置的弹簧时，传动装置就把压力施加在压电陶瓷上，使它产生很高的电压,进而将电能引向燃气的出口放电。于是，燃气就被电火花点燃了。压电陶瓷的这种功能就叫做压电效应。压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压,则产生机械应力（称为逆压电效应）。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号。也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能，这种相互对应的关系确实非常有意思。 压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的应用。例如，压电材料已被用来制作智能结构，此类结构除具有自承载能力外,还具有自诊断性、自适应性和自修复性等功能，在未来的飞行器设计中占有重要的地位。 二、压电材料的主要特性包括： （1）机电转换性能：应具有较大的压电系数； （2）机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、机械刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有频率； （3）电性能：应具有高的电阻率和大的介电常数，以减小电荷泄漏并获得良好的低频特性（4）温度和湿度的稳定性要好。具有较高的居里点，以得到宽的工作温度范围 （5）时间稳定性：其电压特性应不随时间而蜕变。 压电材料的主要特性参数有：(1) 压电常数、(2) 弹性常数、 (3) 介电常数、(4) 机电耦合系数、(5) 电阻、 (6) 居里点。 三、压电材料的分类 压电材料可分为三类：压电晶体（单晶）、压电陶瓷（多晶）和新型压电材料。其中压电单晶中的石英晶体和压电多晶中的钛酸钡与锆钛酸铅系列压电陶瓷应用较普遍。 （1）压电晶体 1）石英晶体 石英晶体是典型的压电晶体，分为天然石英晶体和人工石英晶体，其化学成份是二氧化硅（SiO2），其压电常数d11=2.1×10-12C/N，压电常数虽小，但时间和温度稳定性极好，在20℃～200℃范围内，其压电系数几乎不变；达到573℃时，石英晶体就失去压电特性，该温度称为居里点，并无热释电性（了解更多）。另外，石英晶体的机械性能稳定，机械强度和机械品质因素高，且刚度大，固有频率高，动态特性好；且绝缘性、重复性均好。 下面以石英晶体为例来说明压电晶体内部发生极化产生压电效应的物理过程。在一个晶体单元体中，有3个硅离子和6个氧离子，后者是成对的，构成六边的形状。在没有外力的作
电子材料与元器件教学大纲
《电子材料与元器件》课程教学大纲 课程编号：010192 适用专业：应用电子技术专业 学时数：60（讲课：40，上机：20）学分数：4 执笔者：张恒审核人：编写日期： 建议教材与教学参考书：[1] 《电子材料与元器件》电子工业出版社陈颖主编 一、课程的性质和目的： 《电子材料与元器件》是高等职业学校工业应用电子技术、自动化和机电一体化等专业的一门重要的专业必修课，是与实际生产相结合的基本课程，是电子类技术人才必须掌握的基础知识。本大纲根据高等职业学校机电类专业教学计划制订。 本课程是一门技术性与实践性较强的应用学科，教学中必须坚持理论联系实际的原则，让学生有一定的动手练习机会。可按照相关的课程内容，相应的组织实验、模拟实习、焊接练习，以提高学生的理解深度和动手能力，从而提高学生对电子材料与元器件的处理问题的能力。 本课程的教学任务是：讲授常用电子材料以及各种常用电子元器件：电阻器、电容器、电感、接插件、晶体管、集成电路的外形，命名和标识，检测和使用等方面的知识，把学生培养成为具有一定理论与实践相结合的高等职业技术人才。 本课程是一门技术性与实践性较强的应用学科，教学中必须有时注意理论联系实际的原则，让学生有相应的动手练习机会。由于受课时量的限制，可按照相关的课程内容，组织相应的元器件识别、以提高学生的对电子元器件的识别能力、应用能力 二、教学目标和基本要求： 教学目标： 通过本课程的学习，把学生培养成为具有一定电子技术知识和操作能力，能够独立分析、解决有关材料和元器件问题的高等职业技术人才。 （一）理论方面： 本课程的教学任务是：使学生掌握常用电子材料以及各种常用电子元器件：电阻
《电子材料与元器件》教学大纲
《电子材料与兀器件》课程教学大纲 课程编号：010192 适用专业：应用电子技术专业 学时数：60 （讲课：40,上机：20）学分数：4 执笔者：张恒审核人：编写日期： 建议教材与教学参考书：［1］《电子材料与元器件》电子工业出版社陈颖主编 一、课程的性质和目的： 《电子材料与元器件》是高等职业学校工业应用电子技术、自动化和机电一体化等专业的一门重要的专业必修课，是与实际生产相结合的基本课程，是电子类技术人才必须掌握的基础知识。本大纲根据高等职业学校机电类专业教学计划制订。 本课程是一门技术性与实践性较强的应用学科，教学中必须坚持理论联系实际的原则，让学生有一定的动手练习机会。可按照相关的课程内容，相应的组织实验、模拟实习、焊接练习，以提高学生的理解深度和动手能力，从而提高学生对电子材料与元器件的处理问题的能力。 本课程的教学任务是：讲授常用电子材料以及各种常用电子元器件：电阻器、电容器、电感、接插件、晶体管、集成电路的外形，命名和标识，检测和使用等方面的知识，把学生培养成为具有一定理论与实践相结合的高等职业技术人才。 本课程是一门技术性与实践性较强的应用学科，教学中必须有时注意理论联系实际的原则，让学生有相应的动手练习机会。由于受课时量的限制，可按照相关的课程内容，组织相应的元器件识别、以提高学生的对电子元器件的识别能力、应用能力 二、教学目标和基本要求：教学目标： 通过本课程的学习，把学生培养成为具有一定电子技术知识和操作能力，能够独立分析、解决有关材料和元器件问题的高等职业技术人才。 （一）理论方面： 本课程的教学任务是：使学生掌握常用电子材料以及各种常用电子元器件：电阻
材料的铁电性能综述
材料的铁电性能综述 摘要： 回顾了铁电现象的发现及发展，简述了铁电性的机理，描述了铁电材料应用现状与前景，并介绍了几类前景很好的铁电材料。指出目前对于铁电性的还需要进行更多的和更深入全面的研究。 关键词：铁电性，电畴，铁电薄膜，存储器 前言： 铁电材料，是指具有铁电效应的一类材料，它是热释电材料的一个分支。铁电材料及其应用研究已成为凝聚态物理、固体电子学领域最热门的研究课题之一。铁电材料是一类重要的功能材料，是近年来高新技术研究的前沿和热点之一。 在一些电介质晶体中，晶胞的结构使正负电荷重心不重合而出现电偶极矩，产生不等于零的电极化强度，使晶体具有自发极化，晶体的这种性质叫铁电性（ferroelectricity）。 铁电性： 铁电性是某些绝缘体材料中在外加电场的作用下自发极化可以被反转的特性。多数材料的极化是与外加电场线性成正比的，非线性效应是不显著的。这种极化叫做电介质极化。有些称作顺电体的材料，线性的极化效应更加显著。于是与极化曲线斜率相对应的介电常数是以一个外加电场的函数。除了非线性效应以外，铁电材料中还存在自发极化。这种材料称作焦电材料。铁电材料与其不同之处在于它的自发极化可以在外加电场作用下被反转，产生一个电滞归线。一般来说，材料的铁电性只存在于某一相变温度以下，称为居里温度。在这个温度以上，材料变为顺电体。 铁磁体中的原子有固定的磁偶极矩，这些磁矩自发排列起来。自发排列的原因是固体中电子的量子力学效应。铁磁体的居里温度指向顺磁体转变的温度，同理对铁电体，指材料不再是铁电体的温度。对于一块未极化铁电晶体，电畴随机
排列，净极化强度为零。当外加一个电场时，电畴同时向电场方向转动，当电场足够强时，全部电畴沿电场方向排列一致，这时晶体变成一个大电畴，处于极化饱和状态。当扭转电场时，极化反转但不回零，晶体获得一个剩余极化强度PR，当电场被扭转到矫顽场Ec时，剩余极化强度被去除。铁电相是一个相当严格的状态，大多数材料都是顺电状态，顺电相指即使没有固有电偶极子，电场也可诱发极化。而铁电体是有极性的，他们因为晶胞的原子排列而拥有一个固有电偶极矩。晶体有32个群，其中，21种是非中心对称的。在他们之中，20中是压电体，即压力诱发极化。而在这20种之中只有10种在无压力下是有极性的，即热释电体，温度变化导致热膨胀，热膨胀导致极化强度变化。最后，在这当中，当极化强度还可以被电场重新定向时，晶体才是铁电体。 铁电相转变是一种结构变化，它反映出晶体保持自发极化的能力，并由晶体惯用元胞中的离子相对位移引起。铁电相变发生在温度ＴＣ，这与铁磁体的居里温度相似。在具体点以上，晶体通常是中心对称的顺电相，居里点以下就不是顺电系相了，而表现出铁电行为。在铁电相，晶体中至少有一组离子处在双势阱中，两个位置能量相等。在ＴＣ以上，粒子在双势阱中有足够的动能前后振动并越过分隔势阱的势垒，所以原子时间上的平均位置在势阱的中间。 电畴和铁电极化，铁电行为是由在铁电相时至少有一组离子拥有双势阱引起的。在一个局部区域内，所有离子均位于势阱的同一侧，这个局部区域叫作电畴。如果铁电相变在一个理想晶体中随着温度的一个极小下降而发生（保证整个晶体的热力学平衡）晶体被单畴化。晶体中所有离子热力学耦合并处于双势阱的同一侧，位于任一侧的几率相等。在真实的情况中，晶体中足够远的不同区域独立地形成电畴，而且反向不同。 在公式 公式涉及电位移矢量，电场强度和极化强度，其中既包括外场引起极化，还包括固有极化。 自由电荷满足泊松方程，，所以 在一个理想的铁电晶体中，，这和普通电介质一样。对于一个真实的晶体，在晶体表面为0，和大块晶体在缺陷处测得的值不同。
西安交通大学科技成果——压电材料和压电器件
西安交通大学科技成果——压电材料和压电器件 产品和市场 1、压电材料：实现电信号与声信号相互转换的材料；压电器件：利用压电材料制成的器件（换能器），实现对目标的感知、探测和侦查。 2、压电材料的应用：军用水声、工业超声和医用超声。 军用水声-水声换能器 工业超声-超声检测 医用超声-超声探头
3、压电材料的市场需求 （1）军用水声领域 市场巨大、需求急迫、意义重大；应用于声呐、鱼雷、水雷、海底观测等，关乎军工国防和装备能力提升。 （2）工业超声领域 车身探伤、自动化车轨探伤：依赖进口。 航天航空、核电等核心军工领域探测设备无法进口。 两点结论：采用压电单晶将大幅提高性能（探测精度等）；该领域市场规模大于医用超声。 （3）医用超声领域 市场规模估算：截至2016年末，国内共有三甲医院1300左右，按照每家三甲医院50台B超机，每台B超机配4支探头 国内三甲医院探头需求总量为26万支。国内单晶探头、单晶材料的需求市场规模分别为470亿、26亿（三年）。中国占全球超声市场规模的1/5，则全球医用超声单晶探头市场规模为2280亿元。医用超声单晶材料市场规模为43亿/年（26亿*5/3，探头为消耗品），2016年仅为1.6亿人民币。目前单晶在探头材料市场占比仅为4%。 项目介绍 该项目以研发生产高门槛、高收益的新型压电单晶为核心业务，面向军用水声、工业超声市场，定制并销售单晶材料和超声探头。 课题组先后研究了直径1-5英寸的单晶生长，生长出压电性能优异的Pb（Mg1/3Nb2/3）O3-PbTiO3（PMN-PT）和Pb（In1/2Nb1/2）O3-Pb
（Mg1/3Nb2/3）O3-PbTiO3（PIN-PMN-PT）单晶材料，目前已实现了3英寸、4英寸单晶的小批量生产，实现了5英寸单晶的实验室生产。单晶生长技术达到国际先进水平。 （1）1英寸和1.5英寸压电单晶 （2）2英寸和3英寸压电单晶