鐵電性（英語：Ferroelectricity）是一種特定材料的物理特性，表現為材料存在自發的電極化，并在外加電場的作用下能夠被反轉。這一特性得名于鐵磁性，盡管大多數鐵電材料不含鐵元素。鐵電性最早于1920年由Valasek在酒石酸鉀鈉中發現，當時鐵磁性已經被知曉。鐵電性僅在低于相應的居里溫度時表現出來，高于該溫度時材料轉變為順電體。
物理特性
定義
鐵電性是指某些介電晶體中存在的自發極化現象，這種極化可以通過外部電場進行翻轉。這種極化與電場強度呈現非線性關系，因此被稱為鐵電性。鐵電性得名于鐵磁性，但實際上大多數鐵電材料并不含有鐵元素。
發現史
鐵電性的研究始于1894年，當時Pockels發現了羅息鹽具有異常大的壓電常數。1920年，Valasek在羅息鹽晶體中發現了鐵電電滯回線。此后，1935年和1942年，科學家們又在磷酸二氫鉀（KHPO）及其類似晶體中發現了鐵電性，以及鈦酸鋇（BaTiO）陶瓷的鐵電性。至今，已知具有鐵電性的材料多達一千余種。
自發極化
鐵電體的自發極化是由晶體中原子（離子）位置變化引起的。自發極化分為兩種類型：一是離子直接位移引起的極化，二是電子云變形引起的極化。前者約占總極化的39%，后者則是由于電子云的形變所致。此外，鐵電相的起源也可以通過晶格振動頻率變化來理解，這是所謂的“軟模理論”。
電滯回線
鐵電疇在外電場作用下的運動可通過電滯回線進行宏觀描述。鐵電體的極化隨著電場的變化而變化，極化強度與外加電場之間呈非線性關系。當電場施加于晶體時，沿電場方向的電疇擴展，晶體極化程度變大；而與電場反平行方向的電疇則變小。極化強度隨外電場增加而增加，直至達到飽和。當電場減小時，剩余極化強度P（remanent polarization）會逐漸減少，直到矯頑場E（coercive field）時，剩余極化才會完全消失。電滯回線反映了鐵電疇在外電場作用下的運動規律。
影響因素
溫度
溫度會影響電疇運動和轉向的難易程度。矯頑場強和飽和場強隨溫度升高而降低。極化溫度較高時，可在較低的極化電壓下達到相同的極化效果，電滯回線形狀較瘦長。環境溫度對材料的晶體結構也有影響，特別是在相界處（晶型轉變溫度點）較為顯著。若溫度超過居里溫度，鐵電性消失。
時間和電壓
電疇轉向需要一定時間，時間越長，極化越充分，電疇定向排列更完全，剩余極化強度越高。極化電壓越大，電疇轉向程度越高，剩余極化變大。
結構
同一材料的單晶體和多晶體的電滯回線不同。單晶體的電滯回線接近矩形，P和P很接近，且P較高；陶瓷的電滯回線中P與P相差較大，表明陶瓷多晶體不易成為單疇，即不易定向排列。
介電特性
鐵電體具有非線性和高介電常數的介電特性。非線性指介電常數隨外加電場強度非線性變化。高介電常數是由于鐵電體的自發極化和外加電場共同作用所致。鐵電體的介電常數受材料結構影響，可用電疇觀點解釋。在低電場強度作用下，電疇轉向主要取決于90°和180°疇壁的位移。
壓峰效應
壓峰效應是為了降低居里點處的介電常數峰值，即降低ε-T非線性，使工作狀態對應于ε-T平緩區。例如在BaTiO中加入CaTiO可使居里峰值下降。常用的壓峰劑是非鐵電體，如在BaTiO加入BiSnO，其居里點幾乎完全消失，顯示出直線性的溫度特性。
峰移效應
峰移效應是通過引入某種添加物生成固溶體，改變原有晶胞參數和離子間相互聯系，使居里點向低溫或高溫方向移動。例如加入PbTiO可使BaTiO居里點升高。
晶界效應
陶瓷材料晶界特性的重要性不亞于晶粒本身特性。例如BaTiO鐵電材料，由于晶界效應，可以表現出各種不同的半導體特性。
應用
存儲
鐵電性中的電滯現象可用于信息存儲。利用鐵電疇在外電場下反轉形成的高極化電荷或無反轉形成的低極化電荷，可以判斷存儲單元的狀態，從而制作鐵電存儲器。
光學元件
鐵電體的剩余極化強度使其適用于光學元件。已研制出透明鐵電陶瓷器件，如顯示器件、光閥、全息照相器件等。常見的鐵電材料包括摻鑭的鋯鈦酸鉛（PLZT）透明鐵電陶瓷和BiTiO鐵電薄膜。
電子元件
鐵電材料的非線性性質可用于制造電壓敏感元件、介質放大器、脈沖發生器、穩壓器、開關、頻率調制等電子元件。已獲應用的材料包括BaTiO-BaSnO和BaTiO-BaZrO等。
相關條目
- 鐵電材料
- 鐵電隨機存取內存 (FeRAM)
參考資料
參考資料 >
鐵電性.360個人圖書館.2024-09-13
進入知乎.知乎專欄.2024-09-13
鐵電性的應用.鐵電性的應用.2024-09-13