2022-2023学年高二物理竞赛课件：热释电系数与居里常量

热释电系数与居里常量 2 热释电系数与居里常量 假定在所研究的电介质中，以弹性吉布斯自由能G1为特征函数，并且应力，电场等都是一维的，于是可采用标量符号 对D求微商，得出 3 铁电材料中自由和受夹持热释电系数差别不大，非铁电的纤维锌矿结构材料中这种差别很大，这表明这两类材料中热释电效应的主要机制不同。在CdS和ZnO这类纤维锌矿材料中，垂直于极轴(六重轴)的平面内的热膨胀通过压电效应引起极轴方向极化的变化的主要的机制。一旦该平面被夹持，有效热释电系数就大为减小。 4 在铁电材料中，热释电效应主要来源于自发极化随温度的变化，所以膜平面被夹持与否对热释电系数影响不大。 对于非极性的压电晶体，在适当的部分夹持条件下，由于压电效应也可导致热释电效应，而且有的晶体有相当大的热释电系数。借助于部分夹持条件可将热释电材料从10个极性点群扩展到20个有压电性的非中心对称点群。 5 部分夹持条件必须使容许的应变发生于某个一般极性方向，在部分夹持的条件下，该方向成为特殊极性方向。 石英是点群为32的非极性压电晶体，x切石英晶片在其平面受夹得条件下，沿x方向的热释电系数为 6 其中d11, i和sij分别为压电常量，热膨胀系数和弹性顺度矩阵元。对于 点群晶体，相应的热释电系数为： 7 对于点群为 或23的晶体，如GaAs，Bi12GeO20和Bi12SiO20,平面受夹时与平面垂直方向的热释电系数为 8 在静态实验中，将晶片粘接到刚性基片上已实现平面受夹，只容许厚度方向形变。测得的热释电系数与按上述各式计算的结果相符。 9 表8.2列出了几种晶体在平面受夹条件下的热释电系数和电容率，与极性材料相比，这些热释电系数虽然小，但电容率也小，所以作为热点探测器材料重要指标之一的电压响应优值p/(cp)仍相当高。LiNbO3虽是极性晶体，但表面中所列电系数是y切晶片在平面受夹的条件下有热膨胀和压电效应造成的，这与非极性的压电晶体相同。 10 表8.2几种晶体的部分夹持热释电系数和电容率 晶体 r P(10-6Cm-2K-1) Bi12GeO20 y-LiNbO3 Bi4(GeO4)3 -SiO2 GaAs 40 50 16 4.5 12 0.2 – 0.3 0.3 – 0.5 0.1 – 0.2 0.026 0.015 11 部分夹持条件也可借助压电谐振来实现。 例如将样品制成细长棒，当入射辐射脉冲的频率低于长度振动频率时，样品完全自由，无热释电响应。当脉冲品率高于厚度振动频率时，样品完全受夹，也无热释电响应。当脉冲频率介于二者之间时，样品处于部分夹持状态，热释电响应明显。 12 这种情况下，622和422点群晶体的热释电系数为： 和222点群晶体的热释电系数为 $$