介电和铁电材料

介电和铁电材料是绝缘体，在电场中会发生极化；铁电体还具有可翻转的自发极化，这赋予它们高介电常数、压电耦合和记忆行为。

Definition

介电体是一种绝缘材料，在施加电场时会产生电极化；铁电体是一种具有自发极化的介电体，这种极化源于非中心对称结构，并且可以通过外部电场反转。

Scope

本主题涵盖可极化绝缘体的化学：介电极化和介电常数的机制、压电性所需的对称性要求，以及以钛酸钡等钙钛矿钛酸盐为例的铁电体的自发、可翻转极化。它讨论了铁电态和顺电态之间的居里转变、畴和磁滞现象，以及成分如何调节这些氧化物以用于电容器、执行器、传感器和存储器。

Core questions

• 什么机制赋予介电体介电常数？
• 压电性和铁电性需要什么样的晶体对称性？
• 铁电体中自发极化是如何产生和翻转的？
• 居里转变如何连接铁电态和顺电态？

Key concepts

• 介电常数
• 电子极化、离子极化和偶极极化
• 压电性
• 自发极化
• 居里温度
• 铁电畴和磁滞

Key theories

极化机制和介电常数

施加的电场通过电子、离子和偶极极化使介电体中的电荷发生位移，从而储存能量并提高有效电容；介电常数的大小和频率响应反映了哪些机制在起作用。

极性畸变引起的铁电性

低于居里温度时，钛酸钡等钙钛矿会形成具有自发、可翻转极化的非中心对称结构；相关的软模畸变赋予其非常高的介电常数和器件中利用的压电耦合。

Mechanisms

在铁电钙钛矿中，阳离子的小的偏心位移会产生偶极子；低于居里温度时，这些偶极子会排列成畴，产生自发极化，而施加的电场会重新定向这些畴，从而产生磁滞回线和器件中使用的强压电应变。

Clinical relevance

介电和铁电材料是多层陶瓷电容器、压电传感器、执行器和超声换能器、微电子中的铁电和高介电常数栅介质以及非易失性铁电存储器的基础，其成分的选择旨在设定介电常数、居里温度和耦合。

History

压电效应由居里兄弟于1880年发现，铁电性最早于1920年代在罗谢尔盐中被识别。战时在钛酸钡中发现铁电性，以及梅高对其钙钛矿畸变的结构研究，确立了如今主导电陶瓷电容器和压电器件的氧化物铁电体。

Key figures

• Jacques Curie
• Pierre Curie
• Helen Megaw

Seminal works

• moulson2003
• callister2018

Frequently asked questions

介电体和铁电体有什么区别？

所有铁电体都是介电体，但普通介电体只在施加电场时极化，并在移除电场时恢复零极化。铁电体即使没有电场也具有自发极化，并且这种极化可以在稳定的方向之间切换，从而产生记忆和磁滞现象。

为什么铁电体受热后会失去其特殊性质？

高于其居里温度时，铁电体会转变为更高对称性、中心对称的顺电结构，其中极性畸变消失。没有自发极化，铁电和压电行为会消失，直到材料冷却回居里点以下。