關(guān)于鐵電材料的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀

　　鐵電材料是一類具有介電性、壓電性等重要特性的功能材料，下面是小編搜集整理的一篇關(guān)于鐵電材料的發(fā)展歷史探究的論文范文，歡迎閱讀參考。

　　摘要：鐵電材料是一類重要的功能材料，是近年來高新技術(shù)研究的前沿和熱點之一。通過羅息鹽時期一發(fā)現(xiàn)鐵電性、KDP時期一鐵電熱力學(xué)理論、鈣鈦礦時期一鐵電軟模理論、鐵電薄膜及器件時期～小型化四個階段闡述了鐵電材料的發(fā)展歷史，提出了研究中需要解決的一些問題。

　　關(guān)鍵詞：鐵電材料 羅息鹽 磷酸二氫鉀 鈣鈦礦

　　前言

　　鐵電材料是一類重要的功能材料.它具有介電性、壓電性、熱釋電性、鐵電性以及電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、光折變效應(yīng)和非線性光學(xué)效應(yīng)等重要特性，可用于制作鐵電存儲器、熱釋電紅外探測器、空間光調(diào)制器、光波導(dǎo)、介質(zhì)移相器、壓控濾波器等重要的新型元器件。這些元器件在航空航天、通信、家電、國防等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。因此鐵電材料成了近年來高新技術(shù)研究的前沿和熱點之一。

　　早在遠(yuǎn)古時期，人們就知道某些物質(zhì)具有與溫度有關(guān)的自發(fā)電偶極距，因為它們被加熱時具有吸引其它輕小物體的能力。1824年Brewster觀察到許多礦石具有熱釋電性。l880年約·居里和皮·居里發(fā)現(xiàn)當(dāng)對樣品施加應(yīng)力時出現(xiàn)電極化的現(xiàn)象。但是，早期發(fā)現(xiàn)的熱釋電體沒有一個是鐵電體。在未經(jīng)處理的鐵電單晶中。電疇的.極化方向是雜亂的，晶體的凈極化為零，熱釋電響應(yīng)和壓電響應(yīng)也十分微小，這就是鐵電體很晚才被發(fā)現(xiàn)的主要原因。直到l920年，法國人Valasek發(fā)現(xiàn)了羅息鹽(酒石酸鉀鈉，NaKCH4O·4H2o)特異的介電性能，才掀開了鐵電體的歷史。

　　在鐵電發(fā)展史上的重要歷史事件按年代順序列于表l中。

　　1、四個發(fā)展階段

　　關(guān)于鐵電的發(fā)展歷史，大體可以分為以下四個階段。

　　1.1羅息鹽時期一發(fā)現(xiàn)鐵電性

　　1919年，JosephVa1asek在美國明尼蘇達州大學(xué)讀研究生，師從物理學(xué)家W FG Swan教授。從事宇宙射線物理理論研究工作而聞名于世的Swan教授建議Valasek研究羅息鹽單晶的物理性能。在接下來的兩年里，Valasek測量了羅息鹽的線性介電響應(yīng)、非線性介電性能、壓電性能、熱釋電現(xiàn)象等宏觀性能。1920年4月23日在華盛頓舉辦的美國物理學(xué)會會議上，鐵電性概念誕生了。

　　Valasek在“Piezoelectricandallied phenomenainR0chellesalt”報告中指出：電位移D、電場強度E、極化強度尸分別類比于磁學(xué)中的、和，.羅息鹽中P與E之間存在的回線與磁滯回線類似。1921年。該報告全文發(fā)表在PhvsicalReview期刊上。它奠定了兩個里程碑：(1)第一次表明羅息鹽自身存在持久極化;(2)首次給出電荷與電場之間的回線(見圖1)。Valasek是在介電領(lǐng)域使用自發(fā)極化和居里點這兩個概念的第一人_71。有趣的是，他從未使用過鐵電性(Ferr0electricitv)這個詞。也許他并不知道。在19l2年著名的歐文·薛定諤就已經(jīng)提出了這一概念。

　　1.2 KDP時期一鐵電熱力學(xué)理論

　　1931年比利時布魯塞爾大學(xué)的物理化學(xué)教授JErrera發(fā)表了一篇論文，文中指出羅息鹽的介電常數(shù)隨外加電場頻率的變化呈典型的反常色散現(xiàn)象。其實A M Nich0lson早在1919年就發(fā)表了關(guān)于羅息鹽強烈諧振曲線的論文，但Errem和瑞士蘇黎世的物理學(xué)家都不知道。他們認(rèn)為特別寬的色散曲線不會是分子共振引起的，并決定重復(fù)Errera的實驗。Scherrer的學(xué)生G Busch，將此問題作為其博士學(xué)位論文進行了研究。Busch他找到與此問題相關(guān)、在1897年至1932年出版的文章僅約20篇。其中包括G Steulmann的文章“InstitutfnrallgemeineElektmtechnik”，Steu1.mann測量了K3PO、K2HPO、KH2PO等粉體的介電常數(shù)。前面兩種鹽的值很平常，分別為7.75和9.O5，而KH2PO的值卻高達3O。但這些材料都不含結(jié)晶水.因而沒有引起B(yǎng)usch的重視。在經(jīng)過諸多失敗后，他才研究KH2PO的性能，并于l935年3月13日采用簡易的電橋觀察到超過量程的大電容。隨后，Busch赴柏林做低溫實驗，證明KH2PO確實是鐵電體。關(guān)于KH2P0介電常數(shù)一溫度關(guān)系的第一批實驗結(jié)果見圖2。

　　在理論研究方面，Mnller首先將熱力學(xué)理論應(yīng)用于鐵電體。V L Ginsburg將郎道(Landau)相變理論應(yīng)用于KH2P0型鐵電體，并邁出了將這一理論應(yīng)用于更一般情況的第一步。德文希爾(Devonshire)將其進行完善，發(fā)展為今天仍行之有效的郎道一德文希爾理論。

　　1.3鈣鈦礦時期一鐵電軟模理論

　　BaTi0鐵電性的發(fā)現(xiàn)主要源于戰(zhàn)爭期間對電子元器件(尤其是電容器)的研究。眾所周知，金紅石具有高介電常數(shù)(￡100)，當(dāng)時有幾個實驗室試圖將TiO與其他氧化物(特別是堿土金屬氧化物)共燒制備高介電常數(shù)陶瓷。有四個國家獨立地發(fā)現(xiàn)了BaTiO3的鐵電性：

　　(1)美國1941年報道了通過燒結(jié)TiO2和BaO制備的陶瓷具有高介電常數(shù)。經(jīng)測試介電常數(shù)高達1l00。

　　(2)英國1942年就發(fā)現(xiàn)了堿土金屬鈦酸鹽具有高介電常數(shù)。由于戰(zhàn)爭時期保密限制使得發(fā)表時間推遲至1945年。而且在最初的出版物中并沒有提及鐵電性。

　　(3)俄國報道了BaTi0，的反常介電行為。雖然研究者意識到這是鐵電現(xiàn)象，但是他們最初猜測反常行為是由高介電介質(zhì)中的介電擊穿引起的。不過，

　　他們很快明白發(fā)現(xiàn)了一種新的鐵電體，并找出了居里一外斯定律，測定了電滯回線。

　　(4)日本也發(fā)現(xiàn)了BaTi0，的反常介電行為。日本從戰(zhàn)前到二戰(zhàn)期間一直進行著羅息鹽的研究。BaTiO，是第一種不含氫且不溶于水的鐵電體。此后，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了其他鈣鈦礦鐵電體，例如KNb0，和KTa03 fMatthias，1949年)，LiNbO3和LiTa03(Matthias和Remeika，1949年)，PbTi03(Shirane、Hoshima和Suzuki，1950年)。至20世紀(jì)50年代末，大約有100種化合物被發(fā)現(xiàn)具有鐵電性。截至199O年，已知的鐵電體約為250種。

　　1958年11月在莫斯科召開的蘇聯(lián)第二屆電介質(zhì)會議上Anderson提出了軟模理論，而Cochran則獨立地進行了更詳細(xì)的研究。Barker和Tinkham運用紅外光譜以及隨后的C0wlev利用非彈性中子散射進行了實驗驗證。截至1970年.關(guān)于鐵電相變晶格動力學(xué)的主要思想已經(jīng)闡明。

　　1.4鐵電薄膜及器件時期一小型化

　　雖然二戰(zhàn)時BaTiO就已經(jīng)用于器件中.且隨后鐵電材料被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)多種器件，但是，90年代以前并沒有器件真正用到鐵電材料的鐵電性，而是利用鐵電材料的其他性質(zhì).主要是壓電性和熱釋電性。80年代中期薄膜制備技術(shù)取得了突破性進展，基本掃清了制備高質(zhì)量鐵電薄膜的技術(shù)障礙。由于鐵電薄膜具有介電性、壓電性、熱釋電性、鐵電性以及電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、光折變效應(yīng)和非線性光學(xué)效應(yīng)等重要特性，人們單獨利用其中某一性質(zhì)或綜合利用多種特性研制出了眾多的鐵電薄膜器件(見表2)。

　　隨著整機和系統(tǒng)向著小型化、輕量化方向發(fā)展，微電子、光電子、微電子機械等對鐵電材料提出了小型化、薄膜化、集成化等要求。在此背景下，鐵電材料與工藝和傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料與工藝相結(jié)合而形成了一門新興的交叉學(xué)科一集成鐵電學(xué)。同時，鐵電材料及器件的研究發(fā)生了兩個重要的轉(zhuǎn)變：一是由單晶器件向薄膜器件發(fā)展：二是由分立器件向集成化器件發(fā)展。

　　2、結(jié)語

　　目前鐵電材料及器件的研究還面臨著諸多問題。例如，薄膜化引起的界面問題，小型化帶來的尺寸效應(yīng)和加工、表征問題.集成化導(dǎo)致的兼容性問題等等。同時，與鐵電材料及器件相關(guān)的新原理、新方法、新效應(yīng)、新應(yīng)用還有待深入研究和開發(fā)。