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《铁电体的电滞回线》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,极化达到最大值。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(120℃)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”。
压峰效应是为了降低居里点处的介电常数的峰值,即降低ε-T非线性,也使工作状态相应于ε-T平缓区。例如在BaTiO3中加入CaTiO3可使居里峰值下降。常用的压峰剂(或称展宽剂)为非铁电体。如在BaTiO3加入Bi2/3SnO3,其居里点几乎完全消失,显示出直线性的温度特性,可认为是加入非铁电体后,破坏了原来的内电场,使自发极化减弱,即铁电性减小。
在铁电体中引入某种添加物生成固溶体,改变原来的晶胞参数和离子间的相互联系,使居里点向低温或高温方向移动,这就是“移峰效应”。其目的是为了在工作情况下(室温附近)材料的介电常数和温度关系尽可能平缓,即要求居里点远离室温温度,如加入PbTiO3可使BaTiO3居里点升高。
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。