铁酸铋薄膜光电性质及其铁电畴演变的研究(2)
致 谢 25
参考文献26
1 引言
1.1 铁电体简介
1.1.1 铁电体的定义
铁电体是指在一定的温度范围内具有自发极化，而且其自发极化方向可以随外电场方向的变化而变化的晶体。晶体的电极化方向不会随外加电场的撤销而变化。自发极化是指并非由外电场引起，而是由晶体内部结构引起的极化状态，具体来说就是在一定温度范围内、单位晶胞内正负电荷中心不重合，形成偶极距，呈现极性，即在铁电体的正端束缚一层正电荷，而负端束缚一层负电荷，在晶体内部，其两端所束缚电荷会产生一个电场，其方向与极化方向相反，此内部电场称为退极化电场。退极化场的产生会使其静电能升高，因此在受到机械力的约束时，晶体会形成若干个小区域,且每个小区域内部的电偶极子会沿着同一方向，但是各个小区域的电偶极子的方向却是不同的，我们把这些小的区域称为电畴，简称畴。电畴之间会形成间界，这些间界称为畴壁。晶体的静电能和应变能会因为电畴的出现而降低，但畴壁的存在会产生一种新的能量，即畴壁能。当晶体总自由能取到最小值时，电畴呈现稳定构型。
改变铁电体的外加电场E，极化强度P也会随之出现变化，当所施加一个较大的外加电场E时，极化强度P与外加电场E之间会呈现非线性的关系，而且极化强度P是外加电场E的双值函数，并会伴有滞后现象。电场由正饱和值变化移动到负饱和值，再由负饱和值变化移动到正饱和值，循环一周，极化强度P与电场E会形成一个闭合的曲线，此曲线称为电滞回线，如图1.1所示。铁电体的重要特征之一就是具有电滞回线，电滞回线的存在是判定晶体是铁电体的重要依据。图中Ec称为矫顽场，其定义为使铁电体剩余极化变为零所需要的反向电场强度；Pr称为剩余极化强度，其定义为在外加电场撤除后，铁电晶体中能够稳定存在的极化强度；当外加电场达到正向最大值，铁电体达到饱和极化，此时极化强度达到了正向最大，其值为Ps，称为饱和极化强度。同理，当施加一个反向电场并慢慢加大时，极化强度首先开始变小直至变为零，剩余极化全部消失，然后发生极化反转。随着反向电场强度的增大，极化强度也会随之增大，最终极化反向达到饱和。
图1.1 铁电体电滞回线,Ec为矫顽场，Ps为饱和极化强度，Pr为剩余极化强度
通常来说，铁电晶体只有在一定的温度范围内才具有铁电性，而超出这个温度范围就不会具有铁电性。铁电晶体的铁电性会随着温度的升高而发生变化。当温度超过某一临界值时，晶体的铁电性会消失，而出现顺电性，并且晶体结构也会发生转变，此时的温度称为居里温度，简称居里点。从相变的角度来说，当温度小于居里点时，铁电体存在自发极化，处于铁电状态；而当温度超过居里点时，铁电体的自发极化会消失，由铁电状态进入到顺电状态。
目前比较典型的铁电材料有锆钛酸铅Pb(Zr1-xTix)O3、钛酸钡BaTiO3、铁酸铋BiFeO3等。
1.1.2 铁电体的分类
铁电体的种类繁多而且分布广泛，就目前已知的具有铁电性的晶体便多达上千种，并且它们分布于从立方晶系到单斜晶系的10个点群中，因此，对铁电体进行分类很有必要。
一般来说，根据铁电体的晶体结构来分，铁电材料主要可以分为五类[1]：(1)含氧八面体，也称为双氧化物体，这是一类最重要的铁电体，其中包括：钙钛矿型结构，钨青铜型结构，铌酸锂型结构，烧绿石型结构和含铋层状结构；(2) 含氢键铁电体，如PbDPO4、KH2PO4等；(3) 含氟八面体型，如Sr3Fe2F12、 Pb5Cr3F19等；(4) 铁电聚合物，如PVDF、奇数尼龙等；(5) 含其它离子基团的铁电体，如TGS等。
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