[科普中國(guó)]-反鐵電體

反鐵電體在一定溫度范圍內(nèi)相鄰離子聯(lián)線上的偶極子呈反平行排列，宏觀上自發(fā)極化強(qiáng)度為零，無(wú)電滯回線的材料。在一定溫度范圍內(nèi)相鄰離子聯(lián)線上的偶極子呈反平行排列，宏觀上自發(fā)極化強(qiáng)度為零，無(wú)電滯回線的材料，稱為反鐵電體。在外電場(chǎng)、熱應(yīng)力誘導(dǎo)下反鐵電相將向鐵電相轉(zhuǎn)變，呈現(xiàn)雙電滯回線。

利用反鐵電相-鐵電相的相變可作機(jī)-電換能器，儲(chǔ)能電容器應(yīng)用。在紅外探測(cè)、參量放大、高壓發(fā)生等方面亦有應(yīng)用的可能性。鋯酸鉛、鉿酸鉛、鈮酸鈉、磷酸二氫銨、碘酸銨及三氧化鎢等都是典型的反鐵電材料。

反鐵電體的類型物體在轉(zhuǎn)變溫度以下，鄰近的晶胞彼此沿反平行方向自發(fā)極化，這種性質(zhì)被稱為反鐵電性，具有反鐵電性的材料統(tǒng)稱為反鐵電體。典型的反鐵電體材料鋯酸鉛(PbZrO3)，具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)。反鐵電體除了PbZrO3外，還有NH4H2PO4(ADP)型(包括NH4H2AsO4、氘代鹽等)、(NH4)2SO4型(包括NH4HSO4、NH4LiSO4等)、(NH4)2H3O6型(包括Ag2H3O6、氘代鹽等)、鈣鈦礦型(NaNbO3、PbHfO3、Pb(M91/2 W1/2)O3、Pb(Yb1/2Nb1/2)O3等)、RbNO3等，其中具有較大應(yīng)用價(jià)研究較多的反鐵電體是鋯酸鉛。1

反鐵電體的特點(diǎn)反鐵電晶體主要應(yīng)用的是改性了的鋯鈦酸鉛(PbZrO3)陶瓷。它們隨溫度變化而發(fā)生相變，高溫時(shí)往往是順電相，在相變溫度下則變成對(duì)稱性比較低的反鐵電相，介電常數(shù)出現(xiàn)反常值。在相變溫度以上介電常數(shù)與溫度關(guān)系服從居里-外斯定律。在電場(chǎng)強(qiáng)迫作用下可使其向鐵電相轉(zhuǎn)變，隨著這個(gè)轉(zhuǎn)變可出現(xiàn)較大的應(yīng)變。電場(chǎng)與極化強(qiáng)度關(guān)系呈現(xiàn)出雙滯后回線特性。制作上與鐵電陶瓷類似，在飽和水溶液中放入籽晶后成長(zhǎng)得到。控制好生長(zhǎng)條件和溶液的pH值以及雜質(zhì)等即可得到高質(zhì)量的大晶體。應(yīng)用上，一是利用反鐵電墩電相變時(shí)的電位移與電場(chǎng)強(qiáng)度的非線性關(guān)系制作高貯能電容器和高壓、小型、輕量的電壓調(diào)節(jié)元件；二是利用反鐵電嵌電相變時(shí)的體積變化制作高密度能量的換能器等。2

反鐵電體的微觀結(jié)構(gòu)反鐵電體的特征是具有雙電滯回線。線性介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)是沒(méi)有自發(fā)極化。而鐵電介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)是具有很強(qiáng)的自發(fā)極化。從低電壓時(shí)的線性特征來(lái)看，似乎反鐵電體的微觀結(jié)構(gòu)沒(méi)有自發(fā)極化，但在高電壓時(shí)又呈現(xiàn)很強(qiáng)的非線性來(lái)看，其微觀結(jié)構(gòu)又應(yīng)存在很強(qiáng)的自發(fā)極化。對(duì)PbZrO3晶體的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行深人的研究，解決了這個(gè)問(wèn)題。PbZrO3的居里溫度T=230℃，高于居里溫度時(shí)，它為理想的立方相鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)。低于居里溫度時(shí)它為反鐵電體。反鐵電PbZrO3晶體有二種反鐵電態(tài)存在，一種具有斜方對(duì)稱的結(jié)構(gòu)；另一種是具有四方對(duì)稱的結(jié)構(gòu)。通常只有四方結(jié)構(gòu)的反鐵電態(tài)能發(fā)生強(qiáng)迫相變?yōu)殍F電態(tài)。純的或較純的PbZrO3在稍低于其居里溫度的很窄一段溫度區(qū)(約幾攝氏度)內(nèi)，才是四方反鐵電相，溫度在約220℃至室溫這一溫度區(qū)間內(nèi)，PbZrO3以斜方反鐵電相存在，PbZrO3四方反鐵電相強(qiáng)迫相變?yōu)殍F電相的機(jī)理比較復(fù)雜。3

反鐵電體的應(yīng)用原理用電場(chǎng)強(qiáng)迫法能使穩(wěn)態(tài)的反鐵電相轉(zhuǎn)變?yōu)闀悍€(wěn)態(tài)的鐵電相的物理現(xiàn)象，為反鐵電體的應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的前景。如用反鐵電陶瓷材料可做高壓高功率儲(chǔ)能電容器、換能器和非線性元件等。其應(yīng)用原理如下：反鐵電陶瓷在足夠大的電場(chǎng)強(qiáng)度作用下，能以穩(wěn)態(tài)的反鐵電相轉(zhuǎn)變?yōu)闀悍€(wěn)態(tài)的鐵電相，這是一個(gè)儲(chǔ)存電能的過(guò)程；當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度減少或取消電場(chǎng)時(shí)，暫穩(wěn)態(tài)的鐵電相又變成穩(wěn)定態(tài)的反鐵電相，這是一個(gè)釋放電能的過(guò)程(此外應(yīng)用溫度或靜壓力也可促使其發(fā)生相轉(zhuǎn)變)。這就是說(shuō)，在相變的同時(shí)，伴隨有電荷的變化，我們可以利用儲(chǔ)存電能和釋放電能的這一電荷變化過(guò)程來(lái)制造高壓大功率儲(chǔ)能電容器，也可以利用這一過(guò)程來(lái)制作非線性元件。同時(shí)，反鐵電相和鐵電相的轉(zhuǎn)變過(guò)程必然伴隨有體積的變化，或者說(shuō)，相變時(shí)將引起元件線性尺寸的變化，這一過(guò)程又可促成電能和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換，利用這種能量間的轉(zhuǎn)換就可制作反鐵電換能器。利用反鐵電陶瓷材料制戍的高壓、高功率儲(chǔ)能電容器具有體積小，重量輕和儲(chǔ)能密度高等優(yōu)點(diǎn)。3

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李航 - 副教授 - 西南大學(xué)