31、铁电材料PZT特性及其在FEG中的应用与优化

铁电材料PZT特性及其在FEG中的应用与优化

1. 铁电材料电场与极化特性

在铁电材料中，电场会产生与材料从反铁电（AFE）态转变到铁电（FE）态相关的双滞后回线。当应力进一步增加时，AFE态会变得更加稳定，此时将材料驱动到FE态所需的电场也会更高。若电路最初处于开路状态，施加应力会使电场升高，最大电场可通过将D - E曲线的线性部分外推至初始极化水平来确定。

为了深入理解铁电特性对铁电发电机（FEG）运行的重要性，需要了解其本征和非本征效应。本征效应与晶胞内离子的位移有关，而非本征效应则涉及畴壁的移动。

2. 本征效应分析

以钛酸铅晶胞为例，这种钙钛矿晶胞可看作是带正电的中心钛离子处于带负电的氧八面体笼中。当施加电场时，离子会相对移动，导致晶体结构发生畸变。离子的相对运动改变了每个晶胞的偶极矩，单位体积的偶极矩即为极化。离子越容易移动，材料的介电常数就越大。
若晶胞被“钳制”，即晶胞形状无法改变，离子移动受限，此时恒定应变下的介电常数会比未钳制时低很多。较大的介电常数通常意味着更平坦的能量阱，离子更容易移动，这意味着较低的刚度和较大的压电常数。柔顺性是刚度的倒数，通常在恒定电场下测量，这需要在材料上施加电极并短路，以防止晶体结构变形时表面产生电压积累。若在开路状态下测量，会产生电场，使离子保持在原始位置，从而使材料变硬。

3. 非本征效应分析

PZT中有90度和180度两种类型的畴壁。当施加电场时，90度畴壁会移动，由于畴壁两侧的应变差异，会导致较大的应变变化。畴壁的移动往往是一个不可逆过程，会产生热量并导致滞后现象。当畴壁移动时，极化会发生较大变化，从而显著增加介电常数。
施主掺杂（软PZ