中 国 矿 业 大 学（北京）
本科生论文
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学 院：机电与信息工程学院
专 业：材料科学与工程 班 级：× × ×
完成日期：2011 年12 月25 日
铁电材料及其应用
引言
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。由于铁电材料具有优良的
铁电、介电刀、热释电及压电等特性，它们在铁电存储器、红外探测器、声表面波和集成光电器件等固态器件方面有着非常重要的应用，这也极大地推动了铁电物理学及铁电材料的研究和发展。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。开发新一代铁电陶瓷材料己成为当今的热题。
1铁电材料特点
1.1铁电性能特点
铁电材料是一类重要的功能材料，它具有介电性，压电性，热释电性，铁电性及以光电效应，声光效应，光折变效应和非线性光学效应等重要特性，在铁电存储器 红外探测器，空间光调制器，介电热辐射测量器及光学传感器等方面有重要应用。
铁电材料，其特点是不仅具有自发极化，而且在一定温度范围内，自发极化偶极矩能随外施电场的方向而改变。它的极化强度P与外施电场强度E的关系曲线如图1所示，与铁磁材 料的磁通密度与磁场强度的关系曲线（B-H曲线）极为相似。极化强度P滞后于电场强度E,称为电滞曲线。电滞曲线是铁电材料的特征。即当铁电晶体二端加上电场E后，极化强度P 随E 增加沿OAB曲线上升，至B点后P 随E的变化呈线性(BC线段)。E下降，P不沿原曲线下降，而是沿CBD曲线下降。当E为零时,极化强度P不等于零而为Pb,称为剩余极化强度。只有加上反电场EH时P方等于零,EH称为铁电材料的矫顽电场强度。CBDFGHIC构成整个电滞曲线。
图1
玻璃倒角机
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，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。
1.2铁电体分类紫外可见漫反射光谱
按结晶学分类 ：
(a) 氢键晶体，如 KDP, RS 结构特征：[PO4]，软铁电体
(b) 双氧化物晶体，如 BT, PT, 结构特点：[TiO6], 硬铁电体
按极性轴数目分类 ：
(a) 单轴铁电体， 如 RS, KDP, LN, 自发极化强度平行或反平行于极化轴
(b) 多轴铁电体， 如 BT, Cd2Nb2O7
按铁电相变时原子的运动特点分类：
保健项链
(a) 有序－无序型
(b) 位移型
按Curie-Weiss常数C的大小分类：
siro 1300
第一类铁电体，C ~105 K ,大多属位移型
第二类铁电体，C ~ 103 K, 多属有序－无序型
电玉粉第三类铁电体，C ~ 10K, 或称非本征铁电体，其铁电相起因于压电性与弹性不稳定性的耦合。
2铁电材料的应用
2.1铁电电容器
铁电材料的非线性性质可以用来制造电容可调的电容器。一个铁电电容器的典型结构是两个电极夹一层铁电材料。铁电材料的介电常数不仅可以调节，而且在相变温度附近值非常大。这使得铁电电容器与其他电容器相比体积非常小。
2.2铁电存储器
杀螺剂
带有滞归特性的自发极化的铁电材料可以用来制造存储器。在实际应用中，铁电材料可以用来制造电脑和RFID卡。这些应用通常是基于铁电薄膜，这样用一个不太大的电压就可以产生一个强大的矫顽场。
非挥发性铁电随机存储器（NvFeRAM)：
其特点为：即使在电源中断的情况，存储的信息也不会丢失；铁电体不仅作为电容而且是存储器的一部分；低电压运作（1.0-5.0V), 低功耗；小尺寸，仅为EEPROM单元的20%；抗辐射。（军用，卫星通讯）；高速：200ns 读取时间；易与其它Si器件集成。
铁电动态随机存取存储（DRAM）：
铁电薄膜作为一大介电常数的电容介质；利用铁电体大的介电常数(ε=100-2000)，代替原来用的SiO2(ε=3.9），可以减小存储单元面积。SiO2~4, Ta2O5~25, Ferroelectrics~100-1000；铁电体大的介电常数可缓解为增大面积而进行的Trenching ,stacking
铁电存储器（MFSFET）：
MFS(Metal Ferroelectric –Semiconductor )FET；在MOS中用铁电薄膜（F）代替二氧化硅栅氧化物薄膜（O）构成MFSFET场效应管；由于极化滞后，漏电流展现两种状态：开，关；读写过程不需要大电场，在读后也不需重写。设计简单。
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