2022-2023学年高二物理竞赛课件：铁电体的畴结构

1 铁电体的畴结构 什么是畴，形成原因 铁电体的畴结构 铁电畴的观察 几种特殊的畴结构 1 2 电畴与晶体对称性 按照软模理论，铁电有序是软模（光学横模或赝自旋波）冻结的结果。该软模的波矢为零，故整个晶体呈现均匀极化，全部偶极子沿同一方向（特殊极性方向）排列。 这种单畴晶体的对称性即为铁电相的对称性。 3 但是我们知道，在顺电相中，有若干个方向与极化强度出现的方向对称性等效。因为这些方向在晶体学上和物理性质方面都是等同的，可以预料，晶体各部分的自发极化沿这些方向取向的概率是相等的。这表明铁电体将分成为电畴，而且从整体上看，多畴晶体的对称性等于顺电相的对称性。 4 铁电体由单畴变成多畴可以认为是 “孪生对称素” 的作用。孪生对称素是在顺电--铁电相变时丧失的对称元素，他们可以使单畴态铁电相的对称性恢复到顺电相的对称性。 下面以罗息盐为例做详细介绍。 孪生对称素 5 罗息盐的电畴与对称性 罗息盐在顺电相和铁电相点群分别为222 和2，自发极化沿a轴出现，单畴晶体点群为2，如图5.1（a）所示。但顺电相a轴的正反两个方向是对称等效的，因此将出现180的畴。相变时丧失的对称素为沿b轴和c轴的二重轴。在这两个二重轴的作用下，晶体呈现如图5.1（b）所示的多畴结构，其点群又成为222。 6 罗息盐的畴结构 孪生对称素 7 对称性不但决定了电畴的构型,而且决定了畴壁的取向。图5.1(b)表明，点群为222的多畴晶体中，畴壁平面只可能是（010）或（001）面。 罗息盐是单轴铁电体，其多畴结构起源于180畴的孪生。在多轴铁电体中，多畴状态不但起源于180畴的孪生，而且还起源于其它畴的孪生。 8 BaTiO3在立方相（m3m）有6个等效对称的<100>方向，进入四方相（4mm）时，自发极化沿这6个方向中的任一个出现的概率相等，因此有180畴和90畴。进入正交相（mm2）时，自发极化沿<110>方向出现,对称等效方向12个,畴间夹角为60、 90 、120和180。 9 进入三角相（3m）时，自发极化沿<111>方向出现，对称等效方向8个,畴间夹角为71、 109和180。 理想条件下，任一相沿任一对称等效方向（顺电相）的电畴个数相等，各种畴的孪生也是相变时消失的对称素作用的结果。 任何铁电晶体中，畴间夹角等于顺电相对称等效方向间的夹角。总的电畴结构决定于顺电相的对称性以及自发极化的方向。 10 下图是180畴壁和90畴壁 11 钛酸钡畴结构 12 Shown are three examples of ferroelectric domain structure on BaTiO3 surface as determined by combination of surface topography and scanning surface potential microscopy. Corrugations on topographic image below indicate the presence of 90 domain walls between a (polarization vector is in surface plane) and c (polarization vector is normal to the surface) domains. Surface potential image exhibits 180 domain walls between c+ (polarization points upward) and c- (polarization points downward) domains. $$