铁电材料 内建电场的概念?最好说一下内建电场形成过程,及其与退极化场的区别联系'''

铁电材料 内建电场的概念?最好说一下内建电场形成过程,及其与退极化场的区别联系'''
铁电材料 内建电场的概念?
最好说一下内建电场形成过程,及其与退极化场的区别联系'''

铁电材料 内建电场的概念?最好说一下内建电场形成过程,及其与退极化场的区别联系'''
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门问题.
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1 概述
2 基本性质
3 研究进展
4 展望
5 参考资料
铁电材料-概述
铁电材料,是热释电材料中的一类.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.
铁电晶体是由许多小区域(电畴)所组成,每个电畴内的极化方向一致,而相邻电畴的极化方向则不同.从宏观来看,整个晶体是非极化的,呈中性.在外电场作用下,极化沿电场方向的电畴扩大.当所有电畴都沿外电场方向,整个晶体成为单畴晶体,即到达图上饱和点B,当外电场继续增加,此时晶体只有电子和离子极化,与普遍电介质一样,P与E成直线关系（BC段）,延长BC直线交P轴于T,相应的极化强度Ps即为该晶体的自发极化强度.
在某一温度以上,铁电材料的自发极化即消失,此温度称为居里点.它是由低温的铁电相改变为高温的非铁电相的温度.
典型铁电材料有：钛酸钡（BaTiO3）、磷酸二氢钾(KH2PO4)等.过去对铁电材料的应用主要是利用它们的压电性、热释电性、电光性能以及高介电常数.近年来,由于新铁电材料薄膜工艺的发展,铁电材料在信息存储、图像显示和全息照像中的编页器、铁电光阀阵列作全息照像的存储等已开始应用.
铁电材料-基本性质

钛酸钡铁电材料晶体结构示意图
铁电体是这样的晶体,其中存在自发极化,且自发极化有两个或多个可能的取向,在电场作用下,其取向可以改变.故自发极化是铁电体物理学研究的核心问题.
极化是一种极性矢量,自发极化的出现在晶体中造成了一个特殊方向.每个晶胞中原子的构型使正负电荷重心沿核方向发生相对位移,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.因此,这个方向与晶体的其它任何方向都不是对称等效的,称为特殊极性方向.在晶体学32个点群中,只有10个具有特殊极性方向,这十个点群称为极性点群.
晶体在整体上呈现自发极化,意即在其正负端分别有一层正的和负的电荷.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,它使静电能升高.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,晶体将分成若干个小区域,每个小区域内部电偶极子沿同一方向,但各个小区域中电偶极子方向不同.这些小区域称为电畴或畴.畴之间的界叫畴壁.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构型.
铁电体的极化随电场的变化而变化,极化强度与外加电场关系.当电场较强时,极化与电场之间呈非线性关系,在电场作用下,新畴成核长大,畴壁移动,导致极化转向.在电场很弱时,极化线性地依赖于电场,此时可逆的畴壁移动占主导地位.当电场增强时,新畴成核,畴壁运动成为不可逆,极化随电场的增加比线性段块.当电场达到点时,晶体成为单畴,极化趋于饱和.当电场进一步增强,由于感应极化的增加,总极化仍然增大段.如果趋于饱和后电场减小,极化将沿着曲线减小.当电场达到零时,晶体在宏观上仍为极化态.线段所示的值即称为剩余极化.将线段延长与轴交于,线段即是自发极化.当电场反向,极化沿着曲线移动,直至达到另一极化最大值.EH代表的电场是使极化等于零的电场,称为矫顽场.
晶体的铁电性通常只存在一定的温度范围.当温度超过某一值时,自发极化消失,铁电体变成顺电体.铁电相与顺电相之间的转变称为铁电相变,该温度称为居里温度或者居里点.
晶体结构是铁电体物理学的基础.铁电体按晶体结构可以大致分为以下几类1、含氧八面体的铁电体,2、含氢键的铁电体,3、含氟八面体的铁电体,4、含其它离子基团的铁电体,5、铁电聚合物和铁电液晶.
铁电材料-研究进展
一般认为,铁电体的研究始于年,当年法国人发现了罗息盐酒石酸钾钠,场·的特异的介电性能,导致了“铁电性”概念的出现.迄今铁电研究可大体分为四个阶段’.第一阶段是1920-1939年,在这一阶段中发现了两种铁电结构,即罗息盐和系列.第二阶段是1940-1958年,铁电维象理论开始建立,并趋于成熟.第三阶段是年到年代,这是铁电软模理论出现和基本完善的时期,称为软模阶段.第四阶段是80年代至今,主要研究各种非均匀系统.到目前为止,己发现的铁电晶体包括多晶体有一千多种.
从物理学的角度来看,对铁电研究起了最重要作用的有三种理论,即德文希尔但等的热力学理论,的模型理论,.父和的软模理论.近年来,铁电体的研究取得不少新的进展,其中最重要的有以下几个方面.
1、第一性原理的计算.现代能带结构方法和高速计算机的反展使得对铁电性起因的研究变为可能.通过第一性原理的计算,对,仇和等铁电体,得出了电子密度分布,软模位移和自发极化等重要结果,对阐明铁电性的微观机制有重要作用.
2、尺寸效应的研究.随着铁电薄膜和铁电超微粉的发展,铁电尺寸效应成为一个迫切需要研究的实际问题.近年来,人们从理论上预言了自发极化、相变温度和介电极化率等随尺寸变化的规律,并计算了典型铁电体的铁电临界尺寸.这些结果不但对集成铁电器件和精细复合材料的设计有指导作用,而且是铁电理论在有限尺寸条件下的发展.
3、铁电液晶和铁电聚合物的基础和应用研究.1975年MEYER发现,由手性分子组成的倾斜的层状相‘相液晶具有铁电性.在性能方面,铁电液晶在电光显示和非线性光学方面很有吸引力.电光显示基于极化反转,其响应速
度比普通丝状液晶快几个数量级.非线性光学方面,其二次谐波发生效率已不低于常用的无机非线性光学晶体.
聚合物的铁电性在年代末期得到确证.虽然的热电性和压电性早已被发现,但直到年代末才得到论证,并且人们发现了一些新的铁电聚合物.聚合物组分繁多,结构多样化,预期从中可发掘出更多的铁电体,从而扩展铁电
体物理学的研究领域,并开发新的应用.
4、集成铁电体的研究.铁电薄膜与半导体的集成称为集成铁电体洋,近年来广泛开展了此类材料的研究.铁电存贮器的基本形式是铁电随机存取存贮器.早期以为主要研究对象,直至年实现了的商业化.与五六十年代相比,当前的材料和技术解决了几个重要问题.一是采用薄膜,极化反转电压易于降低,可以和标准的硅或电路集成,
二是在提高电滞回线矩形度的同时,在电路设计上采取措施,防止误写误读,三是疲劳特性大有改善,已制出反转次数达仍不显示任何疲劳的铁电薄膜.
在存贮器上的重大应用己逐渐在铁电薄膜上实现.与此同时,铁电薄膜的应用也不局限于,还有铁电场效应晶体管、铁电动态随机存取存贮器等.除存贮器外,集成铁电体还可用于红外探测与成像器件,超声与声表面波器件以及光电子器件等.可以看出,集成薄膜器件的应用前景不可估量.
在铁电物理学内,当前的研究方向主要有两个一是铁电体的低维特性,二是铁电体的调制结构.铁电体低维特性的研究是应对薄膜铁电元件的要求,只有在薄膜等低维系统中,尺寸效应才变得不可忽略脚一.极化在表面处的不均匀分布将产生退极化场,对整个系统的极化状态产生影响.表面区域内偶极相互作用与体内不同,将导致
居里温度随膜厚而变化.薄膜中还不可避免地有界面效应,薄膜厚度变化时,矫顽场、电容率和自发极化都随之变化,需要探明其变化规律并加以解释.
铁电超微粉的研究也逐渐升温.在这种三维尺寸都有限的系统中,块体材料的导致铁电相变的布里渊区中心振模可能无法维持,也许全部声子色散关系都要改变.库仑作用将随尺寸减小而减弱,当它不能平衡短程力的作用时,铁电有序将不能建立.
铁电材料-展望
高性能的铁电材料是一类具有广泛应用前景的功能材料,从目前的研究现状来看,对于具有高性能的铁电材料的研究和开发应用仍然处于发展阶段.研究者们选用不同的铁电材料进行研究,并不断探索制备工艺,只是到目前为止对于铁电材料的一些性能的研究还没有达到令人满意的地步.比如,用于制备铁电复合材料的陶瓷粉体和聚合物的种类还很单一,对其复合界面的理论研究也刚刚开始,铁电记忆器件抗疲劳特性的研究还有待发展.总之,铁电材料是一类具有广阔发展前景的重要功能材料,对于其特性的研究与应用还需要我们不断的研究与探索,并给予足够的重视.
内建电场 内建电场（Built-in field,自建电场）是指半导体或者绝缘体中由于内部的作用而形成的电场,不是外加电场.
例如pn结空间电荷区（即势垒区）中的电场,该电场对外并表现不出任何作用,但是对于载流子的运动却有着至关重要的影响；实际上,pn结的单向导电性就直接与此电场有关.
其他半导体内建电场的例子：（1）大注入时出现的内建电场（这有利于提高BJT的电流增益和频率、速度性能）.（2）不均匀掺杂所产生的内建电场（缓变基区晶体管的基区掺杂是不均匀的,产生出一个加速少数载流子运动的电场）.

是由自发极化产生的;
铁晶体管是电介质中一类特别重要的介晶体管。电介质的特性是：他们以感应而非以传导的方式传播电的作用与影响。按照这个意义来说，不能简单的认为电介质就是绝缘体。在电介质中起主要作用的是束缚着的电荷，在电的作用下，他们以正、负电荷重心不重和的电极化方式传递和纪录电的影响。而铁晶体管是-------即使没有外加电场，也可以显现出电偶极距的特性。因其每单位晶胞带有电偶极矩，且其极...

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是由自发极化产生的;
铁晶体管是电介质中一类特别重要的介晶体管。电介质的特性是：他们以感应而非以传导的方式传播电的作用与影响。按照这个意义来说，不能简单的认为电介质就是绝缘体。在电介质中起主要作用的是束缚着的电荷，在电的作用下，他们以正、负电荷重心不重和的电极化方式传递和纪录电的影响。而铁晶体管是-------即使没有外加电场，也可以显现出电偶极距的特性。因其每单位晶胞带有电偶极矩，且其极化率与温度有关。
电滞回线的分析：极化强度P和外电场E间的关系构成电滞回线。一般而言，晶体的压电性质与自发极化性质都是由晶体的对称性决定的，可是对于铁晶体管，外电场能使自发极化反向的特征却不能由晶体的结构来预测，只能透过电滞回线的测定（或介电系数的测定）来判断。
电滞回线表示铁晶体管中存在domain。铁晶体管通常是由许多称为domain的区域所组成，而在每一个domain里面有相同的极化方向，而与邻近的domain其极化方向不同。如果是多晶体，由于晶粒本身的取向是任意的，不同domain中极化强度的相对取向可以是没有规律的。但若是单晶体，不同domain中极化强度取向之间存在着简单的关系。为明确起见，这里只考虑单晶体的电滞回线，并且设极化强度的取向只有两种可能，亦即沿某轴的正向或负向。
假设在没有外电场的存在下，晶体的总电矩为零，及晶体的两类domain中极化强度方向互为相反平行。当外电场施加于晶体时，极化强度沿电场方向的domain变大，而与其反平行方向的domain则变小。这样，极化强度P随外电场E增大而增大，如图中OA段曲线所示。电场强度的继续增大，最后使晶体只具有单个的domain，晶体的极化强度达到饱和，这相当余图中C附近的部分，将这线性部分推延至外场为零的情形，在纵轴P上所得的杰具称为饱和极化强度（即E点）。实际上，这也是每个domain原来已经存在的极化强度。因此饱和极化强度是对每个domain而言的。如电场自图中C处开始降低，晶体的极大P值亦随之减小，但在零电场时，仍存在剩余极化强度（即D点）。必须注意，剩余极化强度是对整个晶体而言的。当点场反向达到矫顽电场强度时（即F点），剩余极化全部消失，反向电场的值继续增大时，极化强度反向。如果矫顽电场强度大于晶体的击穿场强，那么在极化反向之前晶体已被电击穿，便不能说该晶体具有铁电性。
当温度高于某一临界温度时，晶体的铁电性消失，并且晶格亦发生转变，这一温度是铁电体的居里点。由于铁电性的出现或消失，总伴随着晶格结构的改变，所以这是个相变过程。当晶体从非铁电相（称顺电相）向铁电相过渡时，晶体的许多物理性质皆呈反常现象。对于一阶相变常伴随有潜热的发生，对于二阶相变则出现比热的突变。铁电相中自发极化强度是和晶体的自发电致形变相关，所以铁电相的晶格结构的对称性要比非铁电相（顺电相）的为低。如果晶体具有两个或多个铁电相时，表征顺电相与铁电相之间的一个相变温度，统称为过渡温度或转变温度。（在此附近时，介电系数常有迅速陡降的现象）。
而退极化场,简单理解就是与内建电场"相反的过程"(并不完全相反);也就是电滞回线与横坐标(电场强度)的负半轴的交点.

收起