鐵電材料

鐵電材料最近比較常見的都是稱為鈣鈦礦(Perovskite)的結構。鈣鈦礦是 本來稱為鈦酸礦( )此名稱是紀念俄羅斯礦物學家 L. A. Perovski 而命 名的，但這類的化合物結構並不具備鐵電性(Ferroelectric)。具有鈣鈦礦結構 的化合物最眾周知的是鈦酸鋇( )、鈦酸鍶( )，具有光學性關注 的鈮酸鋰( )也業界常見。再說，金屬含有三種以上的複合氧化物是很 重要的。許多這些化合物是用包含的金屬的首字母來表示，例如鉛-鋯-鈦 (PZT)、鋇鍶鈦(BST)、鍶鉍鉭(SBT)、鉍鑭鉭(BLT)等。此外，作為鐵電的聚 合物體系其中，周知的是聚偏二氟乙烯(PVDF)。也有一個鐵電液晶，液晶 的每個分子都極化同方向，但通過施加一個電場，同時每個分子都極化方向 會反轉。雖然並不是所謂固體的鐵電材料，但還是可說具有鐵電性的材料。

鐵電材料也屬於焦電(Pyroelectric)材料與壓電(Piezoelectric)材料，總結這些 關係由圖 2-4所示。[6]

圖 2-4 介電材料種類與關係

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2.2.1 鐵電材料結構與性質

鐵電材料鈣鈦礦結構其中最常見的鈦酸鋇( )來看結構。一看就感 覺有點混亂，但並不會一個很複雜的結構。首先，鋇離子( )都配置在立 方的角落，氧離子( )配置在此立方體面的中心，最後鈦離子( )配置在 立方體的中心，也可像氧離子做成的八面體中心，但在溫度超過 120℃，

才會呈現立方體對稱的鈣鈦礦結晶(圖 2-5(a))，再說一旦溫度低於 120℃， 單元晶格內的 離子及 離子就會往相反方向作一微小的 移動，結晶體內的單位晶格沒有對稱中心(圖 2-5(b))，在此情形下，單位晶 格將會具有一個相當微弱的電偶極(Electric Dipole)。產生一個微弱的電偶極 矩，在臨界溫度 120℃稱為居里溫度(Curie Temperature)時，發生這類例子位 置移動的情形，將會使得 的結晶結構立方晶結構轉成近似正方結構。

圖 2-5 的結構(a)在高於 120℃下(b)在低於 120℃下[7]

在較大尺度時，鈦酸鋇材料具有區域結構，也就是在任一區域內單位晶 格的微弱電偶極都會呈現同方向排列的情形，所以單位體積內的偶極矩就會 是所有單位晶格偶極矩的總合。假設鈦酸鋇結晶體在強大外加電場之下，緩

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慢降溫通過其居里溫度時，此時所有區域中的偶極都會傾向與外加電場呈現 同方向排列，這個現象可以使得材料產生一個強大的偶極矩(圖 2-6)。晶體 中同時存在著不同方向的電偶極矩，排列方向相同的區域稱為鐵電電域 (Ferroelectric Domain)，界面稱為電域壁(Domain Wall)[8]。

圖 2-6 鐵電極化區域示意圖(a)無外加電場 (b)外加電場

鈦酸鋇還具有壓電效應(Piezoelectric effect)的性質，如圖 2-7 所示。因為 許多微小電偶極的同方向排列而產生一個偶極矩，如圖 2-7(a)所示。此時在 材料極化方向的兩端上各有多過多的正、負電荷，一旦壓縮應力加於此材料 時，如圖 2-7(b)所示，此應力將會使試件長度降低，同時也會使材料單位體 積的偶極矩減少；此材料偶極矩之量值變化將改變試件兩端的電荷密度，進 而改變試件兩端之電壓差。如果在試件的兩端加一個電場，試件兩端上的電 荷密度將會有所改變（圖 2-7(c)），引起電場方向上試件的長度發生變化。見 圖 2-7(c)，試件因增加正/負電荷來吸引電偶極負/正極造成長度增加。因此 壓電效應可以說一種電機械效應；因作用與鐵電性材料之機械力可造成電效 果，或是作用在材料上的電力可以產生機械效果。

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圖 2-7 壓電材料的電壓與變形關係 (a)具有電偶極的壓電材料(b)加壓力產 生電壓(c)加電壓材料變形[9]

2.2.2 鐵電材料之電滯曲線帶

電滯曲線(Hysteresis Loop, P-E curve)是極化強度（Polarization, P）對外 加電場(Electric Field, E)的關係，如圖 2-8所示。鐵電材料受外加電場，當外 加電場從零開始增加時，極化向量沿著從零開始往上增加(0A)，當電域轉向 正方向時，極化強度不再增加。當讓外加電場降到零時(AB)，保留了極化向 量，此點稱為殘留極化(Remnant Polarization, )，接著增加負電場(BC)，電 域極化向量到零，此時稱為矯頑電場(Coercive field, )。當外加電場增加到 零時，極化向量就會到殘留極化。P 軸之 A’點此鐵電材料的自發極化向量( )。

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圖 2-8 鐵電材料的電滯曲線[10]