2022-2023学年高二物理竞赛课件：热释电效应

1 热释电效应 热释电效应； 表征和测量； 微观机制； 相变和应用。 2 电介质材料 压电材料 热释电材料 铁电材料 压电陶瓷材料 电介质材料之间的关系 3 约在公元前300年人们就发现了热释电效应。不过热释电的现代名称pyroelectricity是1824年才由布鲁斯特引入的。热释电效应很早就被发现的原因是他们很容易显示出来。关于热释电效应的最早的记录就是电气石吸引轻小物体。早期主要是对现象的描述，从19世纪末开始，随着近代物理的发展，关于热释电效应的定量和理论的研究日益发展。 4 在二十世纪六十年代以来，激光和红外技术的发展极大的促进了热释电效应及其应用的研究，丰富和发展了热释电理论，发现和改变了一些重要的热释电材料，研制了性能优良的热释电探测器和热释电摄像管等热释电器件。热释电效应及其应用已经成为凝聚态物理和技术中活跃的研究领域之一。 5 这里主要介绍两部分内容。 一是热释电效应的表征和热释电性的测量方法； 二是热释电效应的微观机制，热释电效应与相变的关系及热释电材料应用的一些问题。 6 热释电效应指的是极化强度随温度改变而表现出的电荷释放现象，宏观上是温度的改变是在材料的两端出现电压或产生电流。 考虑一个单畴化的铁电体，其中极化强度的排列使靠近极化矢量两端的表面附近出现束缚电荷。在热平衡状态下，这些束缚电荷被等量反号的自由电荷所屏蔽，所以铁电体对外界并不显示电的作用。 热释电效应 7 当温度改变时，极化强度发生变化，原先的自由电荷不能再完全屏蔽束缚电荷，于是表面出现自由电荷，他们在附近空间形成电场，对带电微粒有吸引或者排斥作用。通过与外电路连接，则可在电路中观测到电流。升温和降温两种情况下电流的方向相反，与铁电体中的压电效应相似，热释电效应中电荷或电流的出现是由于极化改变后对自由电荷的吸引能力发生变化，使在相应表面上自由电荷增加或减少。 8 与压电效应不同的是，热释电效应中极化的改变由温度变化引起，压电效应中极化的改变则是由应力造成的。 属于具有特殊极性方向的10个极性点群的晶体具有热释电性，所以常称它们为热释电体。其中大多数的极化可因电场作用而重新取向，是铁电体。经过强直流电场处理的铁电陶瓷和驻极体，其性能可按极性点群晶体来描写，也具有热释电效应。 9 热释电效应的强弱用热释电系数来表示。假设整个晶体的温度均匀的改变了一个小量ΔT，则极化的改变可由下式给出： 式中p是热释电系数，它是一个矢量，一般有三个非零分量 10 其单位为Cm-2 K-1。热释电系数符号通常是相对于晶体压电轴的符号定义的。按照IRE标准的规定，晶轴的正端沿该轴受张力时出现正电荷的一端。在加热时，如果靠正端的一面产生正电荷，就定义热释电系数为正，反之为负。 11 铁电体的自发极化一般随温度升高而减小，故热释电系数为负。但相反的情况也是有的，例如罗息盐在其居里点附近自发极化随温度升高而增大。 在研究热释电效应时，必须注意边界条件和变温的方式。因为热释电体都具有压电性，所以温度改变时发生的形变也会造成极化的改变，这也是对热释电效应的贡献。 12 在均匀受热(冷却)的前提下，根据实验过程中的机械边界条件可将热释电效应分为两类。 如果样品受到夹持(应变恒定)，则热释电效应仅来源于温度改变造成的极化改变，称为初级热释电效应(primary)或恒应变热释电效应。 $