鐵電性及其發現歷史

2021-01-19 二維家

    鐵電性(ferroelectricity)在物理上講就是：在一定的溫度範圍內，一些極化材料所表現出的自發極化的特徵，或者說在無外電場的情況下，材料中的偶極子有序排列，而這些極化可以通過對材料施加外電場而翻轉。在傳統的電介質材料中，極化隨外電場線性變化；而在鐵電材料中，極化隨外電場不是線性變化，從而導致了回滯曲線，如Fig. 1。描述鐵電性主要有三個參數：(1)飽和極化(Psat: saturation polarization)或者叫自發極化，是材料極化強度所能達到的最大值；(2)矯頑電場(Ec: coercive electric field):當極化強度為0時，外電場的場強大小)；(3)剩餘極化(Pr: remanent polarization):當外電場強為0時的極化強度)。


    鐵電材料的另一個內秉性質是轉變溫度(transition temperature),即居裡溫度(Tc):在居裡溫度以上，鐵電性消失，材料轉變為順電性，或者說失去了自發極化現象。

Figure 1. Typical ferroelectric hysteresis loop. Note: Ec, coercive electric field; Pr, remanent polarization; Psat, saturation polarization; E, electric field; P, polarization.

鐵電性與晶體結構對稱性：一般認為，物質在呈現鐵電性時的晶體結構的對稱程度要比其順電性時的對稱程度要低，也可以認為鐵電性來自於順電性物質的晶體結構的微小變形(Ferroelectric behavior of a material originates in the small distortion of the paraelectric phase crystal structure)。比如說，鈣鈦礦材料(perovskites)，在居裡溫度以上，這些材料是立方結構(高對稱性)；隨著溫度的降低，單胞內的原子會從中心對稱位置向外運動(對稱性降低)，形成電偶極子發生自發極化。

鐵電疇: 

    在居裡溫度以下且無無電場存在的情況下，在整個材料中，這些電偶極子的極化方向並不一致，但在一個有限的區域內的電偶極子的極化方向一致，這個區域就叫鐵電疇。這些鐵電疇區在整個材料中隨機分布，極化方向和強度相互抵消，在宏觀上造成沒有極化的現象。一旦對材料施加外電場，每個疇區的極化方向都將朝一個方向，最終達到飽和極化(saturation polarization);達到飽和極化後，一旦撤掉外電場這些疇區的極化方向仍能保持不變，形成記憶效應(剩餘極化)。

鐵電性的發現歷史:

    鐵電性是法國人E. Seignette在17世紀研究NaKC4H4O6·4H2O(酒石酸鉀鈉，即羅謝爾鹽)研究時發現的。1824年，D. Brewster發現通過熱刺激這種材料可以使其產生電，也就是熱釋電(熱電效應)。之後，1880年，Pierre和Paul Curie研究了包括NaKC4H4O6·4H2O在內的很多晶體，如石英、ZnS、碧璽((Ca,K,Na,[ ])(Al,Fe,Li,Mg,Mn) 3(Al,Cr,Fe,V)6(BO3)3(Si,Al,B)6O18(OH,F)4)對壓力的相應(機械刺激)，並發現了壓致電偶極子，導致了壓電效應的發現1。

   

    1918年，W. Anderson和J. Cady在研究NaKC4H4O6·4H2O的壓電性質時，發現了一個反常現象：在外加電場很高時，其極化強度和外電場不成線性關係2,3。1921年，J. Valasek發現外電場可以使羅謝爾鹽的自發極化發生反轉4，這是第一次觀測到鐵電現象。1940年在BaTiO3單晶發現鐵電性掀起了鐵電研究的熱潮，因為BaTiO3晶體結構簡單，鐵電效應明顯，有望在電子工業尤其是計算機工業中實現重要應用，這時期鐵電研究呈現指數增加。再就是因為BaTiO3晶體結構簡單，在該材料中研究鐵電性質，對於鐵電現象的理解也變得較為方便。在1950年代，又發現了一類以Ba(Ti,Sn)O3化合物為代表的新型鐵電體：遲豫鐵電體(relaxor)5。

參考文獻：


1. J. Curie , P. Curie, Development by pressure of polar electricity in hemihedral crystals with inclined faces, C. R. Acad. Sci. 91,294 (1880).


2. W. G. Cady, 「Report to the National Research Council」 US Government Printing Office,  (Washington, DC, May 1918).


3. J. A. Anderson, 「Report to the National Research Council」 US Government Printing Offi ce, (Washington, DC, April/May 1918).


4. J. Valasek, Piezo-electric and allied phenomena in Rochelle salt，Phys. Rev. 17 (4), 475 (1921).


5. G. A. Smolenskii , Ferroelectrics 53 (1), 129 (1984).


6.本文內容主要摘自: Manuel Pedro Fernandes Graça and Manuel Almeida Valente, Ferroelectric glass-ceramics, MRS Bulletin, 42, 213-219, 2017.

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