關于鐵電材料的發展歷史和現狀
鐵電材料是一類具有介電性、壓電性等重要特性的功能材料，下面是小編搜集整理的一篇關于鐵電材料的發展歷史探究的論文范文，歡迎閱讀參考。
摘要：鐵電材料是一類重要的功能材料，是近年來高新技術研究的前沿和熱點之一。通過羅息鹽時期一發現鐵電性、KDP時期一鐵電熱力學理論、鈣鈦礦時期一鐵電軟模理論、鐵電薄膜及器件時期～小型化四個階段闡述了鐵電材料的發展歷史，提出了研究中需要解決的一些問題。
關鍵詞：鐵電材料 羅息鹽 磷酸二氫鉀 鈣鈦礦
前言
鐵電材料是一類重要的功能材料.它具有介電性、壓電性、熱釋電性、鐵電性以及電光效應、聲光效應、光折變效應和非線性光學效應等重要特性，可用于制作鐵電存儲器、熱釋電紅外探測器、空間光調制器、光波導、介質移相器、壓控濾波器等重要的新型元器件。這些元器件在航空航天、通信、家電、國防等領域具有廣泛的應用前景。因此鐵電材料成了近年來高新技術研究的前沿和熱點之一。
早在遠古時期，人們就知道某些物質具有與溫度有關的自發電偶極距，因為它們被加熱時具有吸引其它輕小物體的能力。1824年Brewster觀察到許多礦石具有熱釋電性。l880年約·居里和皮·居里發現當對樣品施加應力時出現電極化的現象。但是，早期發現的熱釋電體沒有一個是鐵電體。在未經處理的鐵電單晶中。電疇的.極化方向是雜亂的，晶體的凈極化為零，熱釋電響應和壓電響應也十分微小，這就是鐵電體很晚才被發現的主要原因。直到l920年，法國人Valasek發現了羅息鹽(酒石酸鉀鈉，NaKCH4O·4H2o)特異的介電性能，才掀開了鐵電體的歷史。
在鐵電發展史上的重要歷史事件按年代順序列于表l中。
1、四個發展階段
關于鐵電的發展歷史，大體可以分為以下四個階段。
1.1羅息鹽時期一發現鐵電性
1919年，JosephVa1asek在美國明尼蘇達州大學讀研究生，師從物理學家W FG Swan教授。從事宇宙射線物理理論研究工作而聞名于世的Swan教授建議Valasek研究羅息鹽單晶的物理性能。在接下來的兩年里，Valasek測量了羅息鹽的線性介電響應、非線性介電性能、壓電性能、熱釋電現象等宏觀性能。1920年4月23日在華盛頓舉辦的美國物理學會會議上，鐵電性概念誕生了。
Valasek在“Piezoelectricandallied phenomenainR0chellesalt”報告中指出：電位移D、電場強度E、極化強度尸分別類比于磁學中的、和，.羅息鹽中P與E之間存在的回線與磁滯回線類似。1921年。該報告全文發表在PhvsicalReview期刊上。它奠定了兩個里程碑：(1)第一次表明羅息鹽自身存在持久極化;(2)首次給出電荷與電場之間的回線(見圖1)。Valasek是在介電領域使用自發極化和居里點這兩個概念的第一人_71。有趣的是，他從未使用過鐵電性(Ferr0electricitv)這個詞。也許他并不知道。在19l2年著名的歐文·薛定諤就已經提出了這一概念。
1.2 KDP時期一鐵電熱力學理論
1931年比利時布魯塞爾大學的物理化學教授JErrera發表了一篇論文，文中指出羅息鹽的介電常數隨外加電場頻率的變化呈典型的反常色散現象。其實A M Nich0lson早在1919年就發表了關于羅息鹽強烈諧振曲線的論文，但Errem和瑞士蘇黎世的物理學家都不知道。他們認為特別寬的色散曲線不會是分子共振引起的，并決定重復Errera的實驗。Scherrer的學生G Busch，將此問題作為其博士學位論文進行了研究。Busch他找到與此問題相關、在1897年至1932年出版的文章僅約20篇。其中包括G Steulmann的文章“InstitutfnrallgemeineElektmtechnik”，Steu1.mann測量了K3PO、K2HPO、KH2PO等粉體的介電常數。前面兩種鹽的值很平常，分別為7.75和9.O5，而KH2PO的值卻高達3O。但這些材料都不含結晶水.因而沒有引起Busch的重視。在經過諸多失敗后，他才研究KH2PO的性能，并于l935年3月13日采用簡易的電橋觀察到超過量程的大電容。隨后，Busch赴柏林做低溫實驗，證明KH2PO確實是鐵電體。關于KH2P0介電常數一溫度關系的第一批實驗結果見圖2。
在理論研究方面，Mnller首先將熱力學理論應用于鐵電體。V L Ginsburg將郎道(Landau)相變理論應用于KH2P0型鐵電體，并邁出了將這一理論應用于更一般情況的第一步。德文希爾(Devonshire)將其進行完善，發展為今天仍行之有效的郎道一德文希爾理論。
1.3鈣鈦礦時期一鐵電軟模理論
BaTi0鐵電性的發現主要源于戰爭期間對電子元器件(尤其是電容器)的研究。眾所周知，金紅石具有高介電常數(￡100)，當時有幾個實驗室試圖將TiO與其他氧化物(特別是堿土金屬氧化物)共燒制備高介電常數陶瓷。有四個國家獨立地發現了BaTiO3的鐵電性：
(1)美國1941年報道了通過燒結TiO2和BaO制備的陶瓷具有高介電常數。經測試介電常數高達1l00。
(2)英國1942年就發現了堿土金屬鈦酸鹽具有高介電常數。由于戰爭時期保密限制使得發表時間推遲至1945年。而且在最初的出版物中并沒有提及鐵電性。
(3)俄國報道了BaTi0，的反常介電行為。雖然研究者意識到這是鐵電現象，但是他們最初猜測反常行為是由高介電介質中的介電擊穿引起的。不過，
他們很快明白發現了一種新的鐵電體，并找出了居里一外斯定律，測定了電滯回線。
(4)日本也發現了BaTi0，的反常介電行為。日本從戰前到二戰期間一直進行著羅息鹽的研究。BaTiO，是第一種不含氫且不溶于水的鐵電體。此后，陸續發現了其他鈣鈦礦鐵電體，例如KNb0，和KTa03 fMatthias，1949年)，LiNbO3和LiTa03(Matthias和Remeika，1949年)，PbTi03(Shirane、Hoshima和Suzuki，1950年)。至20世紀50年代末，大約有100種化合物被發現具有鐵電性。截至199O年，已知的鐵電體約為250種。
1958年11月在莫斯科召開的蘇聯第二屆電介質會議上Anderson提出了軟模理論，而Cochran則獨立地進行了更詳細的研究。Barker和Tinkham運用紅外光譜以及隨后的C0wlev利用非彈性中子散射進行了實驗驗證。截至1970年.關于鐵電相變晶格動力學的主要思想已經闡明。
1.4鐵電薄膜及器件時期一小型化
雖然二戰時BaTiO就已經用于器件中.且隨后鐵電材料被廣泛應用于生產多種器件，但是，90年代以前并沒有器件真正用到鐵電材料的鐵電性，而是利用鐵電材料的其他性質.主要是壓電性和熱釋電性。80年代中期薄膜制備技術取得了突破性進展，基本掃清了制備高質量鐵電薄膜的技術障礙。由于鐵電薄膜具有介電性、壓電性、熱釋電性、鐵電性以及電光效應、聲光效應、光折變效應和非線性光學效應等重要特性，人們單獨利用其中某一性質或綜合利用多種特性研制出了眾多的鐵電薄膜器件(見表2)。
隨著整機和系統向著小型化、輕量化方向發展，微電子、光電子、微電子機械等對鐵電材料提出了小型化、薄膜化、集成化等要求。在此背景下，鐵電材料與工藝和傳統的半導體材料與工藝相結合而形成了一門新興的交叉學科一集成鐵電學。同時，鐵電材料及器件的研究發生了兩個重要的轉變：一是由單晶器件向薄膜器件發展：二是由分立器件向集成化器件發展。
2、結語
目前鐵電材料及器件的研究還面臨著諸多問題。例如，薄膜化引起的界面問題，小型化帶來的尺寸效應和加工、表征問題.集成化導致的兼容性問題等等。同時，與鐵電材料及器件相關的新原理、新方法、新效應、新應用還有待深入研究和開發。
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