2022-2023学年高二物理竞赛课件：铁电单晶和铁电陶瓷

铁电单晶和铁电陶瓷 2 铁电单晶和铁电陶瓷的热释电弛豫，已有不少人进行过研究。虽然不同材料中热释电弛豫的具体特征不同，但都有一个共同点，即热释电电荷的极性不随时间发生变化。然而在铁电-铁电相变中，我们发现了一个反常的热释电响应，其特点是热释电电荷的极性随时间改变符号。 3 Li0.03Na0.97NbO3在室温时空间群为Pb21a的 铁电体，在低温发生铁电-铁电相变进入R3c空间群。这个相变是典型的一级相变，有约80K的热滞，降温时发生于180K附近，升温时发生于260K附近。 4 图8.10示出了自发极化沿室温b轴（二重轴）分量随温度的变化，CD和FB分别相应于降温和升温时的相变阶段。在AB, BC, DE和DF阶段，热释电电荷呈现正常的弛豫特性，即热释电电荷随着时间延长而增加但极性不变。 5 图8.10 6 在CD和FB阶段，观测到反常的热释电响应。图8.11（a）示出了温度从173K降到170K时沿b轴测得的热释电电荷的时间响应，图8.11（b）示出了温度从254K上升到257K时b轴热释电电荷的时间响应。可以看到，前者的极性在约50s时由正变负，后者的极性在约为50s时由负变正。相似的现象在LixNa1-xNbO3陶瓷上也观测到了。 7 这种反常热释电效应的起因可用相变过程中两相共存来解释。在图8.10种，AB相应于稳定的室温相，BC相应于过冷的室温相，CD为过冷的室温相与稳定的室温相共存，DE为稳定的低温相，DF为过热的低温相，FB为过热的低温相与稳定的低温相共存。该图表明，室温相自发极化沿b轴分量较大，低温相的较小。在相变过程中任一温度，低温相所占份额越大， 8 则极化的b轴分量越小。在相变过程中，新相的出现需要一定的时间。降温时新相是低温相，升温时新相是室温相。室温相和低温相的自发极化b轴分量都随温度降低而增大，如图8.10所示。在降温过程中的CD段，当温度改变一个其值为负的ΔT后，开始时室温相的热释电效应占主要地位。因为室温相的自发极化随温度降低而增加，其ΔP为正。然后低温相部分出现。 9 因为低温相的b轴极化较小，这使得ΔP为负。于是在CD范围内，温度下降ΔT后， ΔP先为正，后为负，即热释电电荷ΔQ由正变负，这就是图8.11（a）所示的情况。同理可解释8.11（b）所示的现象。 以上解释只需两个铁电相共存，而两相共存是一级相变的共性，所以这种反常热释电响应在其他材料的一级铁电-铁电相变中也应该出现。 10 11 后来的实验证实，在BaTiO3和KNbO3的4mm到mm2和mm2到3mm相变中也存在这种反常热释电响应。总之，热释电电荷随时间改变极性的现象是一级铁电-铁电相变的表现，他给出了相变过程中新旧两相随时间消长的信息。 12 对于这种反常热释电响应，可以从热释电弛豫的观点给出唯象地描述。在一级铁电-铁电相变附近，高温相与低温相共存，总的极化可表示为 其中Ph和Pl分别代表高温相和低温相的极化，r是高温相所占的体积百分数。单位面积的热释电电荷为 $$