壓電的發現

　

         電介質在壓力作用下發生極化而在兩端表面間出現電位差的性質。1880年法國人P.居裡和J.居裡兄弟發現石英晶體受到壓力時，它的某些表面上會產生電荷，電荷量與壓力成正比；稱這種現象為壓電效應；具有壓電效應的物體稱為壓電體。居裡兄弟還證實了壓電體具有逆壓電效應，即在外電場作用下壓電體會產生形變。壓電晶體的對稱性較低，當受外力作用產生形變時單胞中正負離子的相對位移使得正負電荷中心出現不相等的移動，導致晶體發生宏觀極化；而晶體表面電荷密度等於極化強度在表面法向上的投影，故晶體受壓力形變時表面出現電荷。

　

　

　

壓電體的應用

        單晶和陶瓷壓電諧振器在電子技術中廣泛用作穩頻元件和帶通濾波器。石英晶體具有良好的化學、機械和老化性能；石英振子Q值高達105；採用AT或GT切石英振子組成的振蕩電路，可以做到其頻率長期欠穩度不超過109分之一；可用於石英鐘,是近代計時標準。 　　壓電體用作電聲換能器，無論在產生或接收聲波中都十分有效, 大量用於聲吶、 超聲無損檢測、功率超聲和蜂鳴器。 石英在水中產生的超聲波理論最大強度可達 2000W/cm2。利用壓電效應激發的機械波頻率最高已達到1011Hz甚至1012Hz，即微波頻段甚至遠紅外頻段。近年用鈮酸鋰等單晶製成了聲表面波器件，大量應用於電視中頻濾波器。

　

　

壓電材料

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         鐵電單晶和鐵電陶瓷（見鐵電性）經過人工極化後都是壓電體。非鐵電型壓電體可以是單晶體或高分子聚合物。技術上應用的壓電材料的主要性能用彈性常數、介電常數、壓電常數和機電耦合係數來標記，常簡單地合稱這些參數為壓電體的電彈常數。機電耦合係數是壓電體通過壓電效應轉化的能量對輸入於壓電體的總能量的比值，標誌壓電體將機械能與電能互相轉換時的效率。壓電體的介質和機械損耗角正切的倒數分別稱為電品質因數和機械品質因數。

天然壓電材料

　

         天然壓電材料有石英、電氣石等。人工合成材料有酒石酸鉀鈉、磷酸二氫銨、人工石英、壓電陶瓷、碘酸鋰、鈮酸鋰、氧化鋅和高分子壓電薄膜等。中國自50年代開始，科學院、高校和工礦企業等單位廣泛進行人工壓電材料合成，在上述材料中的多數方面都取得好成績和有大規模的生產，解決了國內需要，並得到國際上的重視。

　

　

　

　

　

正壓電

        是指：當晶體受到某固定方向外力的作用時,內部就產生電極化現象,同時在某兩個表面上產生符號相反的電荷；當外力撤去後，晶體又恢復到不帶電的狀態；當外力作用方向改變時，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應製成的。

　

逆壓電

         是指對晶體施加交變電場引起晶體機械變形的現象。用逆壓電效應製造的變送器可用於電聲和超聲工程。壓電敏感元件的受力變形有厚度變形型、長度變形型、體積變形型、厚度切變型、平面切變型5種基本形式。壓電晶體是各向異性的，並非所有晶體都能在這5種狀態下產生壓電效應。例如石英晶體就沒有體積變形壓電效應，但具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應。

依據電介質壓電效應研製的一類傳感器稱為為壓電傳感器。

         這裡再介紹一下電致伸縮效應。電致伸縮效應，即電介質在電場的作用下，由於感應極化作用而產生應變，應變大小與電場平方成正比，與電場方向無關。壓電效應僅存在於無對稱中心的晶體中。而電致伸縮效應對所有的電介質均存在，不論是非晶體物質，還是晶體物質，不論是中心對稱性的晶體，還是極性晶體。

下面我們利用壓電陶瓷測試壓電效應和逆壓電效應。

         常用的壓電陶瓷是由鋯鈦酸鉛（PZT）材料做成的。將PZT材料做成的壓電陶瓷片粘在圓形黃銅片上就構成了壓電陶瓷元件。它具有明顯的壓電效應。

         首先，將壓電陶瓷片A的兩根引線通過一個按鈕開關與信號發生器相聯。將壓電陶瓷片B的兩根引線與擴音器（帶喇叭）的輸入端相連。將A、B兩個壓電陶瓷片用黑封泥固定在同一個木板製成的箱子上。當觀察者將按鈕開關按下，接通信號發生器和壓電陶瓷A時，由於逆壓電效應，A開始振動，並把振動傳給木箱，木箱的振動傳給壓電陶瓷B，由於壓電效應，使B兩邊產生變化電信號，再傳給擴音器使喇叭發聲，所以這個實驗同時演示了壓電效應和逆壓電效應。

　

鐵電的起源

         對鐵電體的初步認識是它具有自發極化。鐵電體有上千種，不可能都具體描述其自發極化的機制，但可以說自發極化的產生機制是與鐵電體的晶體結構密切相關。其自發極化的出現主要是晶體中原子（離子）位置變化的結果。已經查明，自發極化機制有：氧八面體中離子偏離中心的運動；氫鍵中質子運動有序化；氫氧根集團擇優分佈；含其它離子集團的極性分佈等。
　

　

鐵電疇

         通常，鐵電體自發極化的方向不相同，但在一個小區域內，各晶胞的自發極化方向相同，這個小區域就稱為鐵電疇(ferroelectric domains)。兩疇之間的界壁稱為疇壁。若兩個電疇的自發極化方向互成90°，則其疇壁叫90°疇壁。此外，還有180°疇壁等。

         鐵電疇與鐵磁疇有著本質的差別，鐵電疇壁的厚度很薄。大約是幾個晶格常數的量級，但鐵磁疇壁則很厚，可達到幾百個晶格常數的量級（例如對Fe，磁疇壁厚約1000 ），而且在磁疇壁中自發磁化方向可逐步改變方向，而鐵電體則不可能。

　

　

　

疇壁取向

         一般說來，如果鐵電晶體種類已經明確，則其疇壁的取向就可確定。電疇壁的取向可由下列條件來確定：
　

a）晶體形變

電疇形成的結果使得沿疇壁而切割晶體所產生的兩個表面是等同的（即使考慮了自發形變）。

b）自發極化

兩個相鄰電疇的自發極化在垂直於疇壁方向的份量相等。

如果條件（a）不滿足，則電疇結構會在晶體中引起大的彈性應變。若條件（b）不滿足，則在疇壁上會出現表面電荷，從而增大靜電能，在能量上是不穩定的。

         電疇結構與晶體結構有關。BaTiO3的鐵電相晶體結構有四方、斜方、菱形三種晶系，它們的自發極化方向分別沿[001]，[011]，[111]方向，這樣，除了90°和180°疇壁外，在斜方晶系中還有60°和120°疇壁，在菱形晶系中還有71°，109°疇壁。

電疇轉向

         鐵電疇在外電場作用下，總是要趨向於與外電場方向一致。這形象地稱作電疇「轉向」。實際上電疇運動是通過在外電場作用下新疇的出現、發展以及疇壁的移動來實現的。實驗發現，在電場作用下，180°疇的「轉向」是通過許多尖劈形新疇的出現、發展而實現的，圖6-9所示。尖劈形新疇迅速沿前端向前發展，如左圖。對90°疇的「轉向」雖然也產生針狀電疇，但主要是通過90o疇壁的側向移動來實現的。實驗證明，這種側向移動所需要的能量比產生針狀新疇所需要的能量還要低。一般在外電場作用下（人工極化）180°電疇轉向比較充分；同時由於「轉向」時結構畸變小，內應力小，因而這種轉向比較穩定。而90度電疇的轉向是不充分的，所以這種轉向不穩定。當外加電場撤去後，則有小部分電疇偏離極化方向，恢復原位，大部分電疇則停留在新轉向的極化方向上，這叫剩餘極化。

　

電滯回線

         (ferroelectric hysteresis loop)是鐵電疇在外電場作用下運動的宏觀描述。這裡我們只考慮單晶體的電滯回線，並且設極化強度的取向只有兩種可能，即沿某軸的正向或負向。設在沒有外電場時，晶體總電矩為0（能量最低）。當電場施加於晶體時，沿電場方向的電疇擴展，變大；而與電場反平行方向的電疇則變小。這樣，極化強度隨外電場增加而增加。如圖6-10中OA段曲線。電場強度繼續增大，最後晶體電疇方向都趨於電場方向，類似於單疇，極化強度達到飽和，這相當於圖中C附近的部分。此時再增加電場P與E成線性關係（類似於單個彈性偶極子）將這線性部分外推至E=0時的情況，此時在縱軸P上的截距稱為飽和極化強度或自發極化強度Ps。實際上Ps為原來每個單疇的自發極化強度，是對每個單疇而言的。如果電場自圖中C處開始降低，晶體的極化強度亦隨之減小。在零電場處，仍存在剩餘極化強度Pr。這是因為電場減低時，部分電疇由於晶體內應力的作用偏離了極化方向。但當E=0時，大部分電疇仍停留在極化方向，因而宏觀上還有剩餘極化強度。由此，剩餘極化強度Pr是對整個晶體而言。當電場反向達到-Ec時，剩餘極化全部消失。反向電場繼續增大，極化強度才開始反向。Ec常稱為矯頑電場強度。如果它大於晶體的擊穿場強，那麼在極化強度反向前，晶體就被擊穿，則不能說該晶體具有鐵電性。

         由於極化的非線性，鐵電體的介電常數不是常數。一般以OA在原點的斜率來代表介電常數。所以在測量介電常數時，所加的外電場（測試電場）應很小。

         另外，有一類物體在轉變溫度以下，鄰近的晶胞彼此沿反平行方向自發極化。這類晶體叫反鐵電體。反鐵電體一般宏觀無剩餘極化強度，但在很強的外電場作用下，可以誘導成鐵電相，其P-E呈雙電滯回線（圖6-11），PbZrO3在E較小時，無電滯回線，當E很大時，出現了雙電滯回線。反鐵電體也具有臨界溫度-反鐵電居裡溫度。在居裡溫度附近，也具有介電反常特性。