29、铁电材料及其特性深度解析

铁电材料及其特性深度解析

1. 铁电材料简介

所有电介质都能通过施加外部电场实现极化。不过，部分电介质在特定条件下，因其晶体结构会产生自然的自发极化，这类电介质被称作铁电体。简单来说，当一种晶体在无外部电场时，其自发极化至少存在两种取向状态，且能通过电场在这些状态间转换，就可定义为铁电体。但实际上，材料是否为铁电体还受晶体完整性、电导率、压力和温度等多种因素影响，这些因素都会改变材料极化的取向。

铁电材料的基本属性十分关键，其中锆钛酸铅（PZT）尤为重要。它在许多应用中被广泛使用，特别是在相关的发电装置里。

2. 历史回顾

• 压电效应的发现 ：1880 年，皮埃尔和雅克·居里发现，像电气石晶体这类固体在受到机械应力时，表面会积累电荷，从而在材料内部形成电场。1881 年，汉克尔将这一现象命名为压电性（“piezo”在拉丁语中意为“压力”），利普曼通过热力学推导得出了逆效应。1910 年，沃伊特出版了《晶体物理学教程》，详细阐述了压电晶体中复杂的机电关系。第一次世界大战期间，法国的朗之万将压电材料用于实际应用，他开发了用于潜艇探测的压电超声换能器。
• 铁电效应的起源 ：与线性可逆的压电效应不同，铁电效应是高度非线性、各向异性、可极化和可变形晶体的介电和弹性特性的复杂相互作用。铁电效应的根源可追溯到 20 世纪 20 年代 J. 瓦拉塞克的研究，当时他在研究罗谢尔盐（酒石酸钾钠）的压电特性。瓦拉塞克首次使用“居里点”来描述罗谢尔盐在特定温度以下的极性有序开始。罗谢尔盐的异常特性，如极高的介电和压电响应，曾在很长一段时间内被称为塞涅特电。直到 20 世纪