一、铁电材料都有哪些特性

铁电材料其基本的特性为在某些温度范围会具有自发极化，而且极化强度可以随外电场反向而反向，从而出现电滞回线。

1、自发极化

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、负电荷重心不重合的电极化方式传递和记录电的影响。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。

2、电滞回线

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，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上所得的截距称为饱和极化强度（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。

3、介电常数

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）。

由于极化的非线性，铁电体的介电系数不是常数，而是依赖于外加电场的，一边，以电滞回线中OA曲线在原点的斜率来代表介电系数，即在测量介电系数ε时，所加的外电场很小。铁电体在过渡温度附近，介电系数ε具有很大的值，数量级达到～，当温度高于居里点时，介电系数随温度变化的关系遵守居里-外斯定律：

式中称为特性温度，他一般略低于居里点，C称为居里常数，而代表电子极化对介电系数的贡献，在过渡温度时，可以忽略。

二、铁电性的性能特征

电滞回线(ferroelectric hysteresis loop)是铁电畴在外电场作用下运动的宏观描述。铁电体的极化随着电场的变化而变化，极化强度与外加电场之间呈非线性关系。

当电场施加于晶体时，沿电场方向的电畴扩展，晶体极化程度变大；而与电场反平行方向的电畴则变小。这样，极化强度随外电场增加而增加，如图中OA段曲线。

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的，极化随电场地增加比线性快。

当电场强度继续增大，达到相应于B点的值时，使晶体电畴方向都趋于电场方向，类似于单畴，极化强度趋于饱和。由于感应极化的增加，总极化仍然有所增加（BC段）。

此时再增加电场，P与E成线性关系（类似于单个弹性偶极子），将这线性部分外推至E=0时的情况，此时在纵轴上的截距称为饱和极化强度或自发极化强度Ps。实际上Ps为原来每个单畴的自发极化强度，是对每个单畴而言的。

如果电场自图中C处开始降低，晶体的极化强度亦随之减小。在零电场处，仍存在极化，称为剩余极化强度Pr（remanent polarization）。这是因为电场减低时，部分电畴由于晶体内应力的作用偏离了极化方向。但当E=0时，大部分电畴仍停留在极化方向，因而宏观上还有剩余极化强度。由此，剩余极化强度Pr是对整个晶体而言。

当反向电场继续增大到某一值时，剩余极化才全部消失，此时电场强度称为矫顽场Ec（coercivefield）。反向电场超过Ec，极化强度才开始反向。如果它大于晶体的击穿场强，那么在极化强度反向前，晶体就被击穿，则不能说该晶体具有铁电性。

以上过程使电场在正负饱和值之间循环一周，极化与电场地关系如曲线所示，此曲线称为电滞回线。

由于极化的非线性，铁电体的介电常数不是常数。一般以OA在原点的斜率来代表介电常数。所以在测量介电常数时，所加的外电场（测试电场）应很小。

另外，有一类物体在转变温度以下，邻近的晶胞彼此沿反平行方向自发极化。这类晶体叫反铁电体。反铁电体一般宏观无剩余极化强度，但在很强的外电场作用下，可以诱导成铁电相，其P-E曲线呈双电滞回线。反铁电体也具有临界温度-反铁电居里温度。在居里温度附近，也具有介电反常特性。

影响因素

a）温度

极化温度的高低影响到电畴运动和转向的难易。矫顽场强和饱和场强随温度升高而降低。极化温度较高，可以在较低的极化电压下达到同样的效果，其电滞回线形状比较瘦长。

环境温度对材料的晶体结构也有影响，可使内部自发极化发生改变，尤其是在相界处（晶型转变温度点）更为显著。若温度超过居里温度，铁电性消失。

b）极化时间和极化电压

电畴转向需要一定的时间，时间增长，极化充分，电畴定向排列更加完全，同时，也具有较高的剩余极化强度。

极化电压加大，电畴转向程度高，剩余极化变大。

c）晶体结构

同一种材料，单晶体和多晶体的电滞回线是不同的。如单晶体的电滞回线很接近于矩形，Ps和Pr很接近，而且Pr较高；陶瓷的电滞回线中Ps与Pr相差较多，表明陶瓷多晶体不易成为单畴，即不易定向排列。铁电体具有以下介电特性：非线性、高介电常数。

（1）非线性

铁电体的非线性是指介电常数随外加电场强度非线性地变化。从电滞回线也可看出这种非线性关系。在工程中，常采用交流电场强度Emax和非线性系数N～来表示材料的非线性。

非线性的影响因素主要是材料结构。可以用电畴的观点来分析非线性。当所有电畴都沿外电场方向排列定向时，极化达到大值。在低电场强度作用下，电畴转向主要取决于90°和180°畴壁的位移。

（2）高介电常数

钙钛矿型铁电体具有很高的介电常数。纯钛酸钡陶瓷的介电常数在室温时约1400；而在居里点(20℃)附近，介电常数增加很快，可高达6000～10000。室温下εr随温度变化比较平坦，这可以用来制造小体积大容量的陶瓷电容器。为了提高室温下材料的介电常数，可添加其它钙钛矿型铁电体，形成固溶体。在实际制造中需要解决调整居里点和居里点处介电常数的峰值问题，这就是所谓“移峰效应”和“压峰效应”。陶瓷材料晶界特性的重要性不亚于晶粒本身特性的。例如BaTiO3铁电材料，由于晶界效应，可以表现出各种不同的半导体特性。

在高纯度BaTiO3原料中添加微量稀土元素（例如La），用普通陶瓷工艺烧成，可得到室温**电阻率为10～103Ω·cm的半导体陶瓷。这是因为象La3+这样的三价离子，占据晶格中Ba2+的位置。每添加一个La3+时离子便多余了一价正电荷，为了保持电中性，Ti4+俘获一个电子。这个电子只处于半束缚状态，容易激发，参与导电，因而陶瓷具有n型半导体的性质。

另一类型的BaTiO3半导体陶瓷不用添加稀土离子，只把这种陶瓷放在真空中或还原气氛中加热，使之“失氧”，材料也会具有弱n型半导体特性。

三、铁电材料的特性

其基本的特性为在某些温度范围会具有自发极化，而且极化强度可以随外电场反向而反向，从而出现电滞回线。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，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上所得的截距称为饱和极化强度（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）。

由于极化的非线性，铁电体的介电系数不是常数，而是依赖于外加电场的，一边，以电滞回线中OA曲线在原点的斜率来代表介电系数，即在测量介电系数ε时，所加的外电场很小。铁电体在过渡温度附近，介电系数ε具有很大的值，数量级达到～，当温度高于居里点时，介电系数随温度变化的关系遵守居里-外斯定律：

式中称为特性温度，他一般略低于居里点，C称为居里常数，而代表电子极化对介电系数的贡献，在过渡温度时，可以忽略。