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第六章-第二十八讲(铁电体与电畴 )

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铁电性(材料物理性能)

铁电性(材料物理性能)
原因 BaTiO3 陶 瓷 的 电 畴 结 构 与
BaTiO3单晶电畴结构的差异，导致两
者之间在铁电性质方面的微小差别。
2211
第二十一页，共24页。
3）电滞回线的意义
A.判定铁电体的依据
铁电材料在外加交变电场作用下都能形成电滞回线，不同材料和不同工艺条件对 电滞回线的形状都有很大的影响。
B.由于有剩余极化强度，因而铁电体可用来作信息存储、图象显示。
AO
铁电体微观结构的特点决定了它有许多特殊
E
的宏观性质，从而区别于普通电介质。
铁电电滞回线(Ps为自发极化强度，Ec为矫顽力）
1144
第十四页，共24页。
A.施加电场
➢沿电场方向的电畴扩展，变大；而
P
Ps B
C
与电场反平行方向的电畴则变小。极 化强度随外电场增加而增加，如图中
oA段曲线。
Pr Ps Pr
压峰效应
如在BaTiO3中加入Bi2/3SnO3 ，其居里点几乎完 全消失，显示出直线性的温度特性可认为其机理是 加入非铁电体后，破坏了原来的内电场，使自发极 化减弱，即铁电性减小。
压峰的目的 为了降低居里点处的介电常数的蜂值，即降低ε-T非线性，也使工
作状态相应于ε-T平缓区。
2244
第二十四页，共24页。
顺电性晶体与铁电性晶体的转变温度称为铁电居里点t时铁电相转变为顺电相电滞回线消失这时p与e一般有线性关系p二铁电体的居里外斯定律居里点附近居里外斯定律为忽略12指铁电体的微观结构性质以及因此而可能显示出来的宏观性质指铁电体的微观结构性质以及因此而可能显示出来的宏观性质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
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(完整PPT)第六章铁电性能和压电性能_材料物理(1)

(完整PPT)第六章铁电性能和压电性能_材料物理(1)
结晶化学分类法： 软铁电体 硬铁电体
含氢键的晶体（KDP、RS）和双氧化物晶体（BT、PT、LN） 按极化轴数目分类：
单轴铁电体（RS、KDP、LN）和多轴铁电体（BT） 按原型相有无对称中心分类：
压电性铁电体（KDP、RS）和非压电性铁电体（BT） 按铁电相变时原子运动特点分类：
有序－无序型相变的（RS）和位移型相变的（BT、PT、LN） 按居里－外斯常数C的大小分类：
二、BaTiO3自发极化的微观机理 1. BaTiO3的晶体结构
有氧八面体 骨 架 的 ABO3 晶格
BaTiO3的晶体结构
钙钛矿结构
2. BaTiO3的相变
顺电态
Tc 居里温度
铁电态
120°C
5°C
-80°C
立方晶系 四方晶系 斜方晶系
菱形结构
无自发极化 自发极化沿c轴 自发极化沿 自发极化沿
Ps－饱和极化强度 Pr－剩余极化强度（remanent
polarization） Ec－矫顽场强（corcive field）
~2KV/cm －~120KV/cm
按照Ec大小可将铁电体分为： 软铁电体－小Ec 硬铁电体－大Ec
电滞回线是铁电体的重要物理特征之一，也是判别铁电性的 一个重要判据。
3. 铁电体的分类
如: 在钙钛矿结构中，自发极 化起因于[BO6]中中心离子的 位移
[BO6]氧八面体
2. 铁电体的概念
铁电体是在一定温度范围内具有自发极化（必要条件） ，并且极化方向可随外加电场做可逆转动的晶体。
铁电体一定是极性晶体，但自发极化转动的晶体仅发生在某些特殊结 构晶体当中，在自发极化转向时，结构不发生大的畸变。
质
加电场E 成正比。

材料物理与性能学-第06章

材料物理与性能学-第06章

6.3 铁电体的物理效应
铁电体的本质特征是具有自发极化，和自动控制且自发极化可 在电场作用下转向。据此，研究人员开发出了许多在实际中 得到广泛应用的产品。例如信号处理，存储显示，接收发射 和用于计测的产品等，是利用铁电体的压电特性研制成功的； 根据热释电性能制成了单个探测器和矩阵，在红外探测和热 成像系统中得到了应用。利用铁电陶瓷材料具有较强的电致 伸缩效应制成微位移计，在精密机械、光学显微镜、天文望 远镜等方面有着重要用途。除此之外，铁电体作为光学材料 也得到了广泛的应用。铁电体在实际中的应用与其物理效应 有着密切的联系，下面针对其各自效应的基本概念和实际产 品的应用分别加以叙述。
6.1.2.5 介电系数

6.1.3 铁电体的种类
按照铁电体极化轴的多少，可将铁电体分为两类:
只能沿一个晶轴方向极化（沿某轴上下极化）的铁电体，这也
是无序一有序型铁电体（软铁电体），它从顺电相到铁电相 的过渡是从无序到有序的相变。其中有：罗息盐(NaKC4H4O 6·4H2O)，及其他有关的酒石酸盐；磷酸二氢钾(KH2PO4） 型的铁电体；硫酸氨[(NH4)2SO4)]和四氟铍酸氨[(NH4)2BeF 4 )]；三硼酸氢钙[ CaB3O4 (OH)3·H2O]；硫脲(NH2)2CS；一 水甲酸锂（HCOOLi·H2O）等。另一类，可以沿几个晶轴极 化的铁电体，这些晶轴在非铁电相中都是等价的，也称为位 移型铁电体（硬铁电体）。这类铁电体以钛酸钡为代表（Ba TiO3），还有铌酸盐（LiNbO3，KNbO3）和钽酸盐（LiTaO 3、KTaO3)以及SbSI(锑一硫一碘）等。从顺电相到铁电相的 过渡是两个子晶格之间发生位移。
6.1.2 铁电体的特性
6.1.2.1 铁电体的自发极化
许多电介质只有在电场下才会发生极化。电场去除后，极化强 度迅速衰减到零。对于液体和无定形的固体中，由于分子排 列的无序性，外电场为零时，其表现出的宏观极化强度仍然 为零。对于晶体而言，如果某些晶体中每个晶胞中原子的构 型使正负电荷重心不重合或者说在某个方向存在相对位移， 形成电偶极矩，那么整个晶体在该方向上呈现极性，一端为 正，一端为负，导致晶体处于高度的极化状态，而这种极化 状态是在外电场为零时建立起来的，因此称之为自发极化。

第六章 铁电体性能及其微结构 01概述

第六章 铁电体性能及其微结构 01概述

畴结构
畴是原子或离子极化子有序排列的区域。通常每个畴 内原子或离子作周期性重复排列，畴与畴之间有边界—畴 壁。畴的大小、形貌、取向和对称性取决于材料的内禀性 质（如交换能、各向异性能、形变能和缺陷等）及外场和 温度的变化。
铁电畴：相邻两畴的自发极化方向呈反平行方向排列的畴称180度畴， 相邻两畴的自发极化方向呈90度称90度畴，其间的畴壁分别称180度和90度畴 壁。由于晶粒取向是随机的，在没有外电场时，整个晶体宏观上不显示电偶极 矩。
t
Z
当晶片受到沿X轴方向
的压缩力Fx作用时，晶片 X
Y
将产生厚度变形，在垂直
于电轴的两表面产生电荷 。
l
b
石英晶体切片
压电陶瓷
若陶瓷的主晶相为铁电体，外加电场使电 畴重新排列，各个晶粒的自发极化方向趋于一 致，对外就显示宏观的剩余极化，原来相互抵 消的各个晶粒本身所固有的压电效应便对外呈 现出宏观的压电效应，于是铁电陶瓷就变成了 压电陶瓷。
130℃～0℃晶体为四方晶系，自发极化沿c轴[001]方向； 0℃～-90 ℃为斜方晶系，自发极化沿[011]方向；-90 ℃以下 为菱形结构，自发极化沿[111]方向。
k= ke +ki+ ko+ ks
7
8
9
10
11
三、 介电弛豫
极化适应外电场频率变化的能力是不一样的。 极化子质量较大的空间极化与取向极化，由于惯性大， 无法跟随高额电场变化，只在较低频率下起作用。起 因于离子位移的离子极化能适应更高的频率(约1013Hz)。 电子云的变形引起的电于极化则有极高的适应速度 (约1016Hz)。
第六章 材料的介电特性
§ 6.1 电介质基本概念

铁电体

铁电体

HefeiUniversity 铁电材料的应用系别：化工系学生姓名：陈浩专业班级：13无机非金属材料工程（2）班学号：1303032017铁电体铁电体是指可以产生自发极化并且自发极化可以随外电场的变化而发生转向的电介质材料,铁电体包含于压电体，压电体是指能够产生压电效应及逆压电效应的电介质材料，晶体具有压电性的前提是点群结构是非中心对称的。

结构中心对称的晶体发生形变后，其正电荷和负电荷中心仍然重合，不具备产生压电效应及逆压电效应的条件。

因为正负离子产生相互位移的结果是相互抵消的，所以只有不具备中心对称结构的晶体才具有压电效应可以成为压电晶体，但并不是具有压电效应的点群结构都可以产生自发极化强度，因为很多晶体的压电效应都是在某个特定方向产生的，说明该晶体的点群结构只在某个特定方向上非中心对称。

这就是说所有铁电体都是压电体，但压电体不一定是铁电体，比如石英，四硼酸锂等著名的压电体都不是铁电体[12]。

图1-2 电介质晶体分类在晶体学的32种点群中，有21种点群是非中心对称的，它们分别是1、2、m、222、2m m、4、4、422、4m m、3、32、422、3m、6、6、622、6m m、6m2、23、43m、432。

在这21种点群中，属于432点群的晶体至今未发现压电效应，这可能是由于432点群具有很高的轴对称性造成的，在这21种非中心对称的点群中有10种点群的晶体可能具有自发极化，它们是1、2、m、m m2、4、4m m、3、3m、6、6m m，并且在这10种点群晶体中自发极化还会随着温度的变化而发生改变，如果热胀冷缩效应足够大，那么温度的变化会导致应变的产生，这就是热释电效应，所以铁电体一定是属于可以产生自发极化的这10个点群范围内的[13]，图1-2中给出了几种晶体之间的关系。

铁电体的本质特性是可以产生自发极化，自发极化的产生是由于晶胞内部正负电荷中心不重叠而形成电偶极矩的体现，铁电体呈现自发极化状态，在其正负端面分别出现一层符号相反的束缚电荷使其净电压发生变化。

第六章 铁电物理与性能学

第六章 铁电物理与性能学

铁电相变
位移型相变铁电体

（不涉及化学键的破坏，新相和旧相之间存 在明显的晶体学位相关系）

以BaTiO3为例
钛酸钡不同温度下的晶胞结构变化示意图
位移型相变铁电体
以典型铁电材料——钛酸钡BaTiO3晶体为例，介绍其自发极化的微观模型
BaTiO3晶体从非 铁电性到铁电性的 过渡总是伴随着晶 体立方→四方的改 变，因此提出了一 种离子位移理论， 认为自发极化主要 是晶体中某些离子 偏离了平衡位置， 使得单位晶胞中出 现了电偶极矩造成 的
第六章 铁电物理与性能
Ferroelectrics
基本定义
具有自发极化强度,自发极化强度能 在外加电场下反转 或：具有电滞回线和具有电畴的特 点的材料为铁电体
Note:
铁电体与铁磁体在其它许多性质上也具有相 应的平行类似性，“铁电体”之名即由此而 来，其实它的性质与“铁”毫无关系。在欧 洲（如法国、德国）常称“铁电体”为“薛 格涅特电性”（Seignett-electricity）或 “罗息尔电性”（Rochell-electricity）。 因为历史上铁电现象是首先于1920年在罗息 盐中发现的，而罗息盐是在1665年被法国药 剂师薛格涅特在罗息这个地方第一次制备出 来。
（3）压电聚合物
聚二氟乙烯（PVF2 ）是目前发现的压电效应较强的聚合物 薄膜，这种合成高分子薄膜就其对称性来看，不存在压电效应， 但是它们具有“平面锯齿”结构，存在抵消不了的偶极子。经延 展和拉伸后可以使分子链轴成规则排列，并在与分子轴垂直方向 上产生自发极化偶极子。当在膜厚方向加直流高压电场极化后， 就可以成为具有压电性能的高分子薄膜。这种薄膜有可挠性，并 容易制成大面积压电元件。这种元件耐冲击、不易破碎、稳定性 好、频带宽。为提高其压电性能还可以掺入压电陶瓷粉末，制成 混合复合材料(PVF2—PZT)。

第六章铁电物理与性能学

第六章铁电物理与性能学

压电陶瓷的应用
应用举例：
➢ 水声技术：水声换能器 ➢ 超声技术：超声清洗、超声乳化、超声分散 ➢ 高电压发生装置：压电点火器、引燃引爆、压电
变压器 ➢ 电声设备：麦克风、扬声器、压电耳机 ➢ 传感器：压电地震仪 ➢ 压电驱动器
压电效应的应用
1.基于规则的氧化锌纳米线的 纳米发电机。
对发电机原理的介绍
介电反常
铁电体的极化强度和外加电压的关系是非线性的，即其介电常数不是 一个常数，随外电场的增大而增大 铁电体的优点：介电常数可以很大，εr最大可以超过10万，这时制造 大容量小体积的电容器十分有意义 铁电体的缺点：用作电容器介质材料时，不适宜性也很多。例如： ✓随电压变化大 ✓产生电致伸缩现象 ✓呈现电滞回线，因而损耗很大 ✓耐电性能差 ✓老化严重
（2） 介电常数：反映了材料的介电性质（或极 化性质）。当压电材料的电行为用电场强度E和电位 移D作为变量来描述时，有
D=εE
压电材料的主要特性参数
（3） 机械耦合系数：衡量压电材料机电能量转换 效率的一个重要参数。 在压电效应中, 其值等于转换输出能量（如电能） 与输入的能量（如机械能）之比的平方根。
主要特征
电滞回线hysteresis loop 居里温度Curie temperature Tc 介电反常Dielectric anomalous
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。但在一个小区域 内，各晶胞的自发极化方向都相同，这 个小区域称为铁电畴，两畴之间的界壁 称为畴壁。
铁电相变
位移型相变铁电体
（不涉及化学键的破坏，新相和旧相之间存 在明显的晶体学位相关系）
以BaTiO3为例
钛酸钡不同温度下的晶胞结构变化示意图

第六章铁电性能和压电性能_材料物理(1)

第六章铁电性能和压电性能_材料物理(1)

温度对电滞回线 的影响
BaTiO3的电 滞回线
2. 铁电陶瓷的结构、性能与应用
（1）结构

钙钛矿结构 钨青铜结构 铋层状结构 焦绿石结构 钛铁矿结构
• •
共同特点: 含氧八面体 自发极化的起因: 氧八面 体中心离子的相对位移
•
属位移型铁电体
（2）制备工艺
铁电陶瓷的制备工艺流程： 粉体合成－细化－成型－烧结－被覆电极－性能测试 粉体合成： 固态反应法（solid state reaction） 共沉淀法 (coprecipitation) 溶胶－凝胶法 (sol-gel process)
2. 铁电体的概念
铁电体是在一定温度范围内具有自发极化（必要条件） ，并且极化方向可随外加电场做可逆转动的晶体。
铁电体一定是极性晶体，但自发极化转动的晶体仅发生在某些特殊结 构晶体当中，在自发极化转向时，结构不发生大的畸变。
铁电体 (Ferroelectrics) :
Ps（必要条件） E Ps 重新定向


电光器件－利用电光效应，透明PLZT陶瓷（PLZT 9/65/35)
压电器件－利用压电和电致伸缩效应，PZT, PMN-PT

§6.2 压电性能
Piezoelectricity
一、压电效应 二、压电振子及其参数 三、压电陶瓷的预极化
四、压电材料及其应用
一、压电效应 1. 压电效应
1880年由居里兄弟(J. Curie and P. Curie)发现的。 晶体的压电效应是应力和应变等机械量与电场强度和 电位移（或极化强度）等电学量之间的耦合效应。
(a)
(b)
(c)
(d)
180畴翻转示意图 (a)成核，(b)和(c)纵向长大，(d) 横向长大

铁电畴名词解释

铁电畴名词解释

铁电畴名词解释
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°。

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晶体的自发极化与铁电性质
铁电体与电畴
热释电体与铁电体
➢ 热释电体有自发极化强度，即每个晶胞都具有大小相等的非零电 偶极矩，自发极化只能出现在晶体的某几个特定晶向上的一个方 向上，热释电体的自发极化强度很高，处于极度极化状态，外电 场即使是击穿电场，很难使热释电体自发极化沿着空间的任意方 向定向，但有少数热释电体，其自发极化强度矢量在外电场作用 下由原来取向转变到其它能量较低的方向，这种热释电体称铁电 体。
当反向电场重新下降并改变其方向时，与前面的过程相似，经由GH返回 到C点，完成整个电滞回线CDGHC，电场每变化一周，循环一次。
电滞回线
电滞回线
➢ 描述电滞回线的三个重要参数：
自发极化强度P S 矫顽电场强度EC
剩余极化强度P r
BaTiO3在室温下 P S = 0.26C/M2
BaTiO3在室温下 EC = 1.5×105V/M 温度升高，矫顽场下降 频率增加，矫顽场增大
➢ 相邻电畴的自发极化矢量往往首尾相连，以保持畴壁界面上自发极化强 度矢量的连续性，否则在畴壁上便有自由电荷积累。
➢ 畴结构取决于一系列复杂因素：例如晶体对称性，晶体中杂质和缺陷， 晶体的电导率，晶体的弹性和自发极化以及在制备过程中热处理，机加 工，样品几何形状等。
电畴的反转
➢ 铁电体的自发极化在外电场作用下反转时，晶体的电畴也要发生相应的 改变，电畴结构在外场作用下发生改变的过程称畴运动。
最大反转电流imax与反转时间ts是 等效的。
电 压 矩 形 脉 冲
极 化 反 转 波 型
无 极 化 反 转
电畴的反转
• 极化反转时的电流波形可用峰值电流或开关电流im和脉冲持续时间或开 关时间ts来测量。对BaTiO3而言，开关电流im与开关时间ts的关系
1 1 e / E ts t
低电场
1 ts
(a)反向畴成核 (b)& (c)纵向长大 (d)横向扩张
➢ 把电场沿着BaTiO3晶体的自发极化轴，与电场方向一致的电畴不是通过其畴壁 的侧向移动来牺牲反向畴的代价进行扩张，而是在反向畴内部沿着试样的边缘 靠近电极处生长出许多极性方向与电场方向一致的尖劈状新畴，新畴成核后便 在电场作用下向前推进，穿透整个试样，电场增强时，新畴不断出现，不断向 前发展，波及整个反向畴，最终便把这种反向畴变成与外场方向一致，并与相
罗息盐的电畴 (a) 单畴晶体,对称性属点群2 (b) 多畴晶体,对称性属点群222,畴壁沿(010)和(001)面
➢ 铁电体中电畴是不能在空间任意取向，只能沿晶体的某几个特定 晶向取 向，电畴所能允许的晶向取决于该种铁电体原型结构的对称性，即在铁 电体的原型结构中与铁电体极化轴等效的轴向。
180畴壁和90畴壁
电滞回线
• 铁电体的自发极化在外电场作用重新定向即反转不是连续发生的，而是在 外电场超过某一临界场时发生的，这就使激化强度P滞后于外加电场E，当 电场发生周期性变化时，P和E之间形成电滞回线关系。
当E = 0时，铁电体中各电畴互相补偿，晶体 对外的宏观极化强度为零，晶体的状态处于图 上的O点
O-A-B:与电场方向不一致的畴逐渐消失，沿着电场方 向的电畴逐渐扩大，直到晶体中所有电畴均转向外电 场方向，整个晶体变成一个单一的极化畴，这时所有 电畴均沿外场取向，达到饱和状态PS
电畴的反转
重要的测得量是反转时间ts，最大反转 电流imax，达到imax的时间tmax以及反转 脉冲的形状
令开始施加电场的时间为t=0，则 由位移电流表达式可得
2Ps idt imaxtsf
0
f
0
i imax
d
t ts
f 是一个无量纲的量，依赖于反 转脉冲的形状，称为形状因子
只要形状因子保持恒定，则测量
电畴的反转
• BaTiO3晶体的新畴成核速率与外加电场有关，即单位时间单位面
积成核数：
n e / E t
α为活化场强，α随自发极化强度的增加而 增加，并与温度和试样的厚度有关
室温下，BaTiO3的α=10V/m，新畴向前生长的速度可近似为 :
v (E E0 )
μ—迁移率， E0—临界场强
E0 4105 v / m 2.5104 m2 / v s
电滞回线
到达C点以后，如果减少外电场，极化强度P延CB 缓慢下降，当E下降到零时，极化强度并不沿原路 返回到零，而是大体保持着在强电场下的状态， 并有少数最不稳定的区域分裂出反向畴，极化强 度沿CB下降到D点，剩余极化强度为Pr
要把剩余极化消除，要加反向电场，随着反向 电场的增加，晶体中越来越多的新畴转向反向 电场的方向，当顺着反向电场与逆着反向电场 方向的电畴体积相等时，晶体的宏观极化强度 为零，把剩余极化全部去除所需的反向电场强 度称矫顽电场EC（OF）。当电场继续在反方向 上增加时，极化强度经F径达到G点，使所有电 畴都在反方向上定向。
P r < P S 两者相差小，晶体易极化成单 畴（BaTiO3单晶），两者相差大，不易 极化成单晶（BaTiO3陶瓷）
实际晶体，1800畴壁和900畴壁往往同时存在，两种畴还将发生 相互作用，形成复杂的畴结构。
电畴的反转
Lixue Zhang and Xiaobing Ren, Phys. Rev B, 73, 094121 (2006)
电畴的反转
• 铁电体的畴运动还可以用加上电场后电畴反转过程所产生的电流脉冲波形来研究， 当把前沿很陡的矩形电压脉冲加到晶体上，脉冲的宽度比极化反转所需时间长，脉 冲的振幅足够大，以保证试样的极化强度能被外场反向。
➢ 电介质晶体的晶胞自发极化而出现电矩时，相邻晶胞的电矩可同向排列而 出现铁电性，在自发极化出现之前的非极性晶体称具有顺电性的晶体，当 铁电晶体的温度逐渐升高时将经历不同的结构相变，直到铁电性完全消失。 铁电性完全消失的最后转变温度Tc称铁电居里温度，当温度升高或降低使 晶体发生相变时，高温相的对称性一般比低温相的对称性高，铁电晶体被 加热至晶体熔融前，所能达到的对称性最高的相称原型相。BaTiO3的原型 相为ABO3钙钛矿结构，属于立方对称，这时高温下立方对称的非铁电相为 顺电相，当温度升至120oC， BaTiO3转变为铁电性，属四方对称。
电畴结构
电畴结构
➢ 自发极化有六个可能的取向：平行或反平行原型相的三个立方轴之
一:[100],[100],[010],[0 10],[001],[00 1]
室温下BaTiO3晶体的电畴共有两大类：自发极化方向反平行的180o电畴和互相垂直的 90o电畴，由于四方铁电晶体极化轴为C轴，晶胞沿C轴方向伸长约1%，而在垂直C轴 的a轴方向收缩，约为1.01，当温度下降到5oC晶胞结构变为正交对称，仍为铁电相， 但电矩转变到相应于原型相[011]方向或与此等效的共12个等效方向之一的取向，相邻 电畴自发极化强度有60o和120o畴壁，当温度再降到-80oC附近，晶胞结构变为三方对 称，自发电矩相应于原型相的[111]等八个等效方向之一取向，相邻电畴自发极化有 71o和109o畴壁，随着铁电体自发极化的建立，晶体将沿自发极化的方向伸长，因为电 致伸缩是所有介质中都普遍存在的效应，并在垂直于自发极化方向收缩，这种在没有 外应力存在时出现的应变称自发应变，自发应变的存在，使90o畴壁两侧的自发极化方 向不严格正交，实测约为88o30’。
电畴结构
➢ 电畴的形成是系统自由能取极小值的结果
➢ 电畴壁内部情况复杂，电畴壁很薄，约几个晶胞厚度，BaTiO3晶体的 180o畴壁大约只有5—20Å，约1—5个晶胞厚，90o畴壁要发生反常应变， 约50—100Å，相当于10—20个晶胞厚度，畴壁能的主要贡献来自相邻电 畴的静电相互作用和弹性应变能。
➢ 90o畴的运动
电畴的反转
➢ 当所加电场垂直于单畴BaTiO3自发极化方向，则在晶体边缘处会出现若干 极化方向与外电场一致的尖劈状新畴核，新畴并不是沿电场方向发展，而 是与电场成45o角延伸。
➢ 在900畴中，成核的临界电场约为2×105v/m，但与1800畴情况不同，900畴 中成核速率随成核数的增加而下降，这是因为900畴壁出现后畴壁附近的晶 格将发生畸变，以保证畴壁两侧的自发应变得以相容，因此900畴壁的密度 不能太大。实验表明900畴的生长速度较快，接近于声速，900尖劈状新畴 出现将在晶体内部产生一定的内应力，因此除非这些尖劈状新畴穿透整个 晶体，并使其自发应变与相邻的电畴匹配，否则在电场去除后，未能穿透 整个试样的尖劈状新畴将被驱逐出晶体，这正是由于相同的原因，900畴壁 能够在适当的应力作用下成核和生长，但单靠应力还不能把BaTiO3晶体的 极化强度重行定向。
电畴结构
• 钛酸钡畴结构
电畴结构
• 钛酸钡畴结构
[001]方向
电畴结构
➢ 一般宏观大小的铁电晶体，由于各种电畴的电矩取向不同而互相抵消， 尽可能地把电矩完全抵消更有利于降低晶体的总能量而成为更稳定的状 态，因此，自然冷却形成的铁电晶体的宏观极化强度通常等于零，而淬 火冷却的铁电晶体宏观极化不一定为零。
邻的同相畴结合为一个体积更大的同相畴。
电畴的反转
➢ 垂直于自发极化方向上的偶极耦合作用相当弱，沿自发极化方向的偶极 耦合作用十分强烈，从能量角度来看，偶极的反向排列几乎与同向排列 一样地有利
➢ 180o畴壁只有1—2个晶胞厚度，因此，180o畴壁的侧向移动所需的活动能 大体上相当于总的畴壁能，约2—10×10-3J/m，这比室温下KT=1.38×1023×300=4×10-21的大得多，因此畴壁的热激活侧向移动很难发生，即使 加上很强的接近于击穿的电场强度也不会有多大的作用，因为这时畴壁 侧向移动一个点阵距离使同向电畴体积增大ΔV所取得的能量EPΔV仍然 只是畴壁活化能的很小的一部分，显然，新畴的成核所需的活化能要低 得多。
d (E E0 )
高电场 d为样品的厚度
铁电体的极化反转存在着两种过程：畴的成核以及畴的生长。