壓電鐵電材料的研究

摘 要：介紹了壓電鐵電材料，及其特點，探討了壓電鐵電材料的制備方法。

關鍵詞：壓電材料; 鐵電材料

中圖分類號：TG文獻標識碼：A文章編號：1672-3198（2008）12-0355-02

1 引言

壓電材料最早由Jacques和Pierre Curie兄弟于1880年發現的，居里兄弟在研究熱電現象和晶體對稱性的時候，在α石英晶體上最先發現了壓電效應。1881年，居里兄弟用實驗證實了壓電晶體在外加電場作用下會發生形變。絕大部分壓電體來源于鐵電體。一般認為，鐵電性的研究始于1920年，是法國人Valasek發現的鐵電現象，他觀察到羅息鹽（酒石酸鉀鈉，NaKC4H4O64H2O）的極化可以在施加外電場的情況下反向。1935-1938年，蘇聯的G. Busch和P. Schemer研制出水溶性壓電晶體磷酸二氫鉀(KH2PO4，簡稱KDP)和磷酸二氫氨((NH4)H2PO4，簡稱ADP)，在四十年代得到了廣泛應用，對壓電鐵電材料的發展起了很大的推動作用。目前，世界上的鐵電元件的年產值己達數百億美元。鐵電材料是一個比較龐大的家族，目前應用得最好的是陶瓷系列。但是由于鉛的有毒性及此類鐵電材料居里溫度低、耐疲勞性能差等原因，應用范圍受到了限制。開發新一代鐵電材料己成為當今的熱門問題。

2 壓電鐵電材料的特點

壓電材料是實現機械能與電能相互轉換的功能材料，在電、磁、聲、光、熱、濕、氣、力等功能轉換器件中發揮著重要的作用，具有廣闊的應用前景。壓電材料按其化學組成和形態分為壓電單晶、壓電陶瓷、壓電聚合物及復合壓電材料四類。其中壓電陶瓷系列品種眾多，應用廣泛。

壓電效應是一種機電耦合效應，可將機械能轉換為電能，這種效應稱為正壓電效應。反之，如果將一塊壓電晶體置于外電場中，由于外電場的作用，會引起晶體內部正負電荷中心的位移，這一極化位移又會導致晶體發生形變，稱為逆壓電效應。這兩種效應統稱為壓電效應，具有壓電效應的材料稱為壓電材料。

在具有壓電效應的材料中，具有自發極化，而且其自發極化強度可以因外電場反向而反向，或者在電場作用下不可反向但可以重取向的晶體稱之為鐵電體(ferroelectrics)。鐵電體中的自發極化有兩個或多個可能的取向。所有鐵電體都可以通過人工極化使其具有壓電性，但具有壓電性的并不一定都是鐵電體。

3 壓電鐵電材料的制備方法

作為鐵電材料，通常是以薄膜、陶瓷、微粉、單晶等物質形態來進行研究的。作為不同領域的不同應用，對于材料的制備的要求也不同。隨著科學技術的進步和人們對于鐵電材料性能要求的不斷提高，對于鐵電材料的制備技術也提出了新的要求。從傳統的陶瓷材料到現在的薄膜和微粉便體現了這一過程。反過來，材料制備技術的進步，也使得人們深入研究材料性質及其本質得以進行。

隨著電子器件向小型化和集成化方向發展，鐵電薄膜的制備和應用得以廣泛研究，尤其在以鐵電存貯器等為實際應用目標的研制開發方面人們做了大量的工作。鐵電薄膜的主要制備方法有：（1）物理氣相沉積法（PVD），包括濺射法、蒸發法、激光消融法；（2）化學氣相沉積法（CVD），包括金屬 有機物CVD、等離子增強CVD、低壓CVD；（3）化學液相沉積法，包括溶膠 凝膠法（Sol-Gel）、有機金屬化合物分解法（MOD）；（4）金屬溶液沉積法，如液相晶體取向生長（LPE）。

無鉛壓電鐵電陶瓷制備過程主要包括陶瓷原料粉體的合成、成型、燒結、被電極和極化等幾個主要過程，在這些過程中，伴隨著一系列的物理和化學變化。壓電陶瓷的性能與材料的組分和制備的工藝過程和工藝條件有直接的關系，所以一整套穩定合理的工藝參數是獲得優異材料性能的重要保證。

生產中廣泛采用的壓電陶瓷工藝，主要包括以下步驟：配料 混合 預燒 粉碎 成型 排膠 燒結 被電極 極化 測試，如圖1所示。

(1)配料、球磨混合。

原料選用純度高、細度小和活性大的粉料，根據配方或分子式選擇所用原料，并按原料純度進行修正計算，然后進行原料的稱量。按化學配比配料以后，使用行星式球磨機將各種配料混合均勻。實驗室常采用的是水平方向轉動球磨方式，震動球磨是另一種常用的球磨方法，此外還有氣流粉碎法等混合方法。

(2) 預燒、粉碎、成型、排膠和燒結。

混合球磨后的原料進行預燒。預燒是使原料間發生固相化學反應以生成所需產物的過程，預燒過程中應注意溫度和保溫時間的選擇。將預燒反應后的材料使用行星式球磨機粉碎。

成型的方法主要有四種：軋膜成型、流延成型、干壓成型和靜水壓成型。軋膜成型適用于薄片元件；流延成型適合于更薄的元件，膜厚可以小于10 m；干壓成型適合于塊狀元件；靜水壓成型適合于異形或塊狀元件。除了靜水壓成型外，其他成型方法都需要有粘合劑，粘合劑一般占原料重量的3%左右。成型以后需要排膠。粘合劑的作用只是利于成型，但它是一種還原性強的物質，成型后應將其排出以免影響燒結質量。

燒結是將坯體加熱到足夠高的溫度，使陶瓷坯體發生體積收縮、密度提高和強度增大的過程。燒結過程的機制是組成該物質的原子的擴散運動。燒結的推動力是顆粒或者晶粒的表面能，燒結過程主要是表面能降低的過程。晶粒尺寸是借助于原子擴散來實現的。

(3) 被電極、極化、測量。

燒結后的樣品要被電極，可選用的電極材料有銀、銅、金、鉑等，形成電極層的方法有真空蒸發、化學沉積等多種。壓電陶瓷中廣泛采用的是，在燒結后的樣品涂上銀漿，在空氣中燒制電極。為了防止空氣在高壓下電離、擊穿，極化一般是在硅油中進行。為了獲得優良的壓電性能，需要選擇合適的電場強度，適當的極化溫度。極化樣品放置24小時后，用壓電常數測量儀測量d33，用高頻阻抗分析儀（Agilent 4294A等）測量介電常數、介電損耗、諧振頻率等。

4 展望

20世紀80年代以來，國外期刊中有關壓電材料及其應用的文獻呈逐年上升趨勢，這說明對壓電材料及器件的基礎理論研究和實驗應用研究越來越受到學術和工程界的重視。到現在，壓電學和鐵電學的理論和實驗已得到了不斷的發展和完善，鐵電材料是一類具有廣闊發展前景的重要功能材料，對于其特性的研究與應用還需要我們不斷的研究與探索，并給予足夠的重視。

參考文獻

［1］張沛霖，鐘維烈. 壓電材料與器件物理 ［M］. 濟南: 山東科學技術出版社， 1994.

［2］鐘維烈. 鐵電體物理學 ［M］. 北京: 科學出版社， 1996.

［3］方俊鑫，殷之文. 電介質物理學 ［M］. 北京: 科學出版社， 1998.