压电铁电材料的研究
介绍了压电铁电材料，及其特点,探讨了压电铁电材料的制备方法。
标签：压电材料; 铁电材料
1 引言
压电材料最早由Jacques和Pierre Curie兄弟于1880年发现的，居里兄弟在研究热电现象和晶体对称性的时候，在α石英晶体上最先发现了压电效应。1881年，居里兄弟用实验证实了压电晶体在外加电场作用下会发生形变。绝大部分压电体来源于铁电体。一般认为，铁电性的研究始于1920年，是法国人Valasek发现的铁电现象，他观察到罗息盐（酒石酸钾钠，NaKC4H4O64H2O）的极化可以在施加外电场的情况下反向。1935-1938年，苏联的G. Busch和P. Schemer研制出水溶性压电晶体磷酸二氢钾(KH2PO4，简称KDP)和磷酸二氢氨((NH4)H2PO4，简称ADP)，在四十年代得到了广泛应用，对压电铁电材料的发展起了很大的推动作用。目前，世界上的铁电元件的年产值己达数百亿美元。铁电材料是一个比较庞大的家族，目前应用得最好的是陶瓷系列。但是由于铅的有毒性及此类铁电材料居里温度低、耐疲劳性能差等原因，应用范围受到了限制。开发新一代铁电材料己成为当今的热门问题。
2 压电铁电材料的特点
压电材料是实现机械能与电能相互转换的功能材料，在电、磁、声、光、热、湿、气、力等功能转换器件中发挥着重要的作用，具有广阔的应用前景。压电材料按其化学组成和形态分为压电单晶、压电陶瓷、压电聚合物及复合压电材料四类。其中压电陶瓷系列品种众多，应用广泛。
压电效应是一种机电耦合效应，可将机械能转换为电能，这种效应称为正压电效应。反之，如果将一块压电晶体置于外电场中，由于外电场的作用，会引起晶体内部正负电荷中心的位移，这一极化位移又会导致晶体发生形变，称为逆压电效应。这两种效应统称为压电效应，具有压电效应的材料称为压电材料。
在具有压电效应的材料中，具有自发极化，而且其自发极化强度可以因外电场反向而反向，或者在电场作用下不可反向但可以重取向的晶体称之为铁电体(ferroelectrics)。铁电体中的自发极化有两个或多个可能的取向。所有铁电体都可 以通过人工极化使其具有压电性，但具有压电性的并不一定都是铁电体。
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。
科学家已经了解到铁电材料的原子结构可以使其自发产生极化
现象，但至今尚不清楚光电过程是如何在铁电材料中发生的。如果能
够理解这一光电机制并应用于太阳能电池，将能有效地提高太阳能电
池的效率。
研究人员所采用的铁电材料是铋铁酸盐薄膜（BFO）。这种特别制
作的薄膜有着不同寻常的特性，在数百微米的距离内整齐而有规律地
排列着不同的电畴。电畴为条状，每个电畴宽为50纳米到300纳米，
畴壁为2纳米，相邻电畴的极性相反。这样研究人员就可以清楚地知
道内置电场的精确位置及其电场强度，便于在微观尺度上开展研究，
同时也避免了杂质原子环绕及多晶材料所造成的误差。
当研究人员用光照射铋铁酸盐薄膜时，获得了比材料本身的带隙
电压高很多的电压，说明光子可释放电子，并在畴壁上形成空穴，这
样即使没有半导体的P—N结构，也可形成垂直于畴壁的电流。通过
各种试验，研究人员确定畴壁在提高电压上具有十分重要的作用。据
此他们开发出一种模型，可令极性相反的电畴制造出多余的电荷，并
能传递到相邻的电畴。这种情况有点像传递水桶的过程，随着多余电
荷不断注入锯齿状相邻的电畴，电压可逐级显著增加。
在畴壁的两侧，由于电性相反，就可形成电场，使载电体分离。
在畴壁的一侧，电子堆积，空穴互相排斥；而另一侧则空穴堆积，电子互相排斥。太阳能电池之所以会损失效率，是由于电子和空穴会迅
速结合，但是这种情况不会在铋铁酸盐薄膜上出现，因为相邻的电畴
极性相反。根据同性相斥，异性相吸的原理，电子和空穴会沿相反的
方向运动，而由于电子的数量远超空穴的数量，所以多余的电子会溢
出到相邻的电畴。
铋铁酸盐薄膜本身并不是一种很好的太阳能电池材料，因为它只
对蓝色和近紫外线发生反应，而且在其产生高电压的同时，并不能产
生足够高的电流。但是研究人员确信，在任何具有锯齿状结构的铁电
铁基硫化物电极材料的制备及其电化学性能研究
由于环境问题的不断突出,开发新型的清洁能源和高效储能装置是一项紧迫的任务。超级电容器由于具有超长的使用寿命、低成本、环保和高功率密度而受到了世界各国的广泛关注。
然而,由于其能量密度较低,目前不能满足商业设备的要求。过渡金属硫化物由于其优异的导电性而广泛应用于能量储存领域。
铁基硫化物作为一种具有代表性的超级电容器负极材料,因其具有较高的储能性能而受到了广泛的关注,但大多数以往报道的铁基硫化物电极往往比电容较低,与传统的碳基负极材料相比并没有明显的优势。因此,本论文采用微波辅助方法合成了高比容的超级电容器负极材料,是一种极具发展前景的电化学储能材料。
具体研究如下:（1）采用微波辅助水热法制备了具有椭球形的FeS2纳米材料。所制备的FeS2电极在1
A·g-1时的比容为515 C·g-1,这与制备的Fe2O3电极(415 C·g-1)形成了鲜明的对比。
为了进一步匹配FeS2阳极的优良性能,合成了CoS2纳米粒子,并将其用于混合超级电容器的正极材料。当功率密度为271.2
W·kg-1时,其最大能量密度可达64 Wh·kg-1,远远高于碳基非对称超级电容器器件。
（2）采用微波一步辅助水热法制备了FeS2/GNS复合材料。FeS2/GNS负极在-1.10 V（相对于Hg/HgO）的大电位范围内显示出较高的比容量(在3 A·g-1时可达793 C·g-1)和优异的倍率性能(当电流密度为30 A·g-1时,比容量可保持82%)。 使用FeS2/GNS复合材料作为负极、Ni（OH）2@Co9S8作为正极组装了全固态混合超级电容器,显示出较高的能量密度:当功率密度为949 W·kg-1时,能量密度最高为95.8 Wh·kg-1;当功率密度为15.8 kW·kg-1时,能量密度为40 Wh·kg-1,并且所组装的器件在连续充放电5000次后,比容量仍可保持86%。（3）设计合成具有多孔结构的磷掺杂FeS2/GNS（P-FeS2/GNS）复合材料:多孔P-FeS2纳米颗粒嵌入GNS中,用于高性能超级电容器负极和双功能高效全解水电催化剂。
注：粗体为重点或要求掌握的内容，斜体为拓展延伸内容，其余为基本内容。
一、磁学性能
1、材料磁性的本源是由材料内部电子循轨和自旋运动产生的。任一封闭电流都具有磁矩。
2、材料磁性分类——抗磁性物质：使磁场减弱的物质； 顺磁性物质：使磁场略有增强的物质；铁磁性物质：使磁场强烈增加的物质。材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相反的称为抗磁性；材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相同的称为顺磁性。材料的抗磁性来源于电子循轨运动时受外加磁场作用所产生的抗磁矩。材料的顺磁性主要来源于原子(离子)的固有磁矩。铁磁性来源于原子未被抵消的自旋磁矩和自发磁化。
3、抗磁性、顺磁性、铁磁性特点：抗磁与顺磁性材料的磁化强度与磁场强度之间均呈直线关系，磁化率常数很小，但磁化方向相反，而且当初去外磁场之后，仍恢复到未磁化前的状态，及存在磁化可逆性。铁磁性不存在直线关系，也不是可逆的，去处外磁场，不恢复未磁化前的状态。
4、原子内层电子交互作用其积分常数A＞0，使彼此的自旋磁矩同向排列形成自发磁化；铁、钴、镍因其交换积分常数A具有较大的正值，有较强的自发磁化倾向；还有一些稀土元素虽然也具有自发磁化倾向，但其A值很小，相邻原子间的自旋磁矩同向排列作用很弱，原子振动极易破坏这种同向排列，即它们的居里点很低，所以在常温下为顺磁性。
5、磁化曲线和磁滞回线
1）磁化曲线：第一部分，在微弱的磁场中，磁感应强度B和磁化强度M均随外磁场强度H的增大缓慢增大。磁化是可逆的。第二部分：随外磁场强度H继续增大，磁感应强度B和磁化强度M急剧增高，磁导率μ增长非常快，并且出现极大值。磁化是不可逆的。第三部分：随外磁场强度H进一步增大，B和M增大的趋势逐渐变缓，磁化进行得越来越困难。磁导率减小，并趋向稳定。当磁场强度达到Hs时，磁化强度便达到饱和值，即外磁场
强度再继续增大时，磁化强度不再变大。而此时磁感应强度（B=M+H）仍随外磁场强度而增大。磁化强度的饱和值称为饱和磁化强度，MS；与其对应的磁感应强度称为饱和磁感应强度，BS。
