反鐵電體

反鐵電體在一定溫度範圍內相鄰離子聯線上的偶極子呈反平行排列，巨觀上自發極化強度為零，無電滯回線的材料。在一定溫度範圍內相鄰離子聯線上的偶極子呈反平行排列，巨觀上自發極化強度為零，無電滯回線的材料，稱為反鐵電體。在外電場、熱應力誘導下反鐵電相將向鐵電相轉變，呈現雙電滯回線。

利用反鐵電相-鐵電相的相變可作機-電換能器，儲能電容器套用。在紅外探測、參量放大、高壓發生等方面亦有套用的可能性。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。

基本介紹

• 中文名：反鐵電體
• 外文名：Antiferroelectric
• 反鐵電性：鄰近的晶胞沿反平行方向自發極化
• 類型：鈣鈦礦型、鋯酸鉛、氘代鹽等
• 套用：機-電換能器，儲能電容器
• 材料：鋯酸鉛、鉿酸鉛、鈮酸鈉等

反鐵電體的類型

物體在轉變溫度以下，鄰近的晶胞彼此沿反平行方向自發極化，這種性質被稱為反鐵電性，具有反鐵電性的材料統稱為反鐵電體。典型的反鐵電體材料鋯酸鉛(PbZrO₃)，具有鈣鈦礦型結構。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(M9_1/2 W_1/2)O₃、Pb(Yb_1/2Nb_1/2)O₃等)、RbNO₃等，其中具有較大套用價研究較多的反鐵電體是鋯酸鉛。

反鐵電體的特點

反鐵電晶體主要套用的是改性了的鋯鈦酸鉛(PbZrO3)陶瓷。它們隨溫度變化而發生相變，高溫時往往是順電相，在相變溫度下則變成對稱性比較低的反鐵電相，介電常數出現反常值。在相變溫度以上介電常數與溫度關係服從居里-外斯定律。在電場強迫作用下可使其向鐵電相轉變，隨著這個轉變可出現較大的應變。電場與極化強度關係呈現出雙滯後回線特性。製作上與鐵電陶瓷類似，在飽和水溶液中放入籽晶後成長得到。控制好生長條件和溶液的pH值以及雜質等即可得到高質量的大晶體。套用上，一是利用反鐵電墩電相變時的電位移與電場強度的非線性關係製作高貯能電容器和高壓、小型、輕量的電壓調節元件；二是利用反鐵電嵌電相變時的體積變化製作高密度能量的換能器等。

反鐵電體的微觀結構

反鐵電體的特徵是具有雙電滯回線。線性介質的微觀結構是沒有自發極化。而鐵電介質微觀結構是具有很強的自發極化。從低電壓時的線性特徵來看，似乎反鐵電體的微觀結構沒有自發極化，但在高電壓時又呈現很強的非線性來看，其微觀結構又應存在很強的自發極化。對PbZrO3晶體的微觀結構進行深人的研究，解決了這個問題。PbZrO₃的居里溫度T=230℃，高於居里溫度時，它為理想的立方相鈣鈦礦型結構。低於居里溫度時它為反鐵電體。反鐵電PbZrO₃晶體有二種反鐵電態存在，一種具有斜方對稱的結構；另一種是具有四方對稱的結構。通常只有四方結構的反鐵電態能發生強迫相變為鐵電態。純的或較純的PbZrO₃在稍低於其居里溫度的很窄一段溫度區(約幾攝氏度)內，才是四方反鐵電相，溫度在約220℃至室溫這一溫度區間內，PbZrO₃以斜方反鐵電相存在，PbZrO₃四方反鐵電相強迫相變為鐵電相的機理比較複雜。

反鐵電體的套用原理

用電場強迫法能使穩態的反鐵電相轉變為暫穩態的鐵電相的物理現象，為反鐵電體的套用開闢了廣闊的前景。如用反鐵電陶瓷材料可做高壓高功率儲能電容器、換能器和非線性元件等。其套用原理如下：反鐵電陶瓷在足夠大的電場強度作用下，能以穩態的反鐵電相轉變為暫穩態的鐵電相，這是一個儲存電能的過程；當電場強度減少或取消電場時，暫穩態的鐵電相又變成穩定態的反鐵電相，這是一個釋放電能的過程(此外套用溫度或靜壓力也可促使其發生相轉變)。這就是說，在相變的同時，伴隨有電荷的變化，我們可以利用儲存電能和釋放電能的這一電荷變化過程來製造高壓大功率儲能電容器，也可以利用這一過程來製作非線性元件。同時，反鐵電相和鐵電相的轉變過程必然伴隨有體積的變化，或者說，相變時將引起元件線性尺寸的變化，這一過程又可促成電能和機械能之間的轉換，利用這種能量間的轉換就可製作反鐵電換能器。利用反鐵電陶瓷材料制戍的高壓、高功率儲能電容器具有體積小，重量輕和儲能密度高等優點。