铁电性（英语：Ferroelectricity）是一种特定材料的物理特性，表现为材料存在自发的电极化，并在外加电场的作用下能够被反转。这一特性得名于铁磁性，尽管大多数铁电材料不含铁元素。铁电性最早于1920年由Valasek在酒石酸钾钠中发现，当时铁磁性已经被知晓。铁电性仅在低于相应的居里温度时表现出来，高于该温度时材料转变为顺电体。

物理特性

定义

铁电性是指某些介电晶体中存在的自发极化现象，这种极化可以通过外部电场进行翻转。这种极化与电场强度呈现非线性关系，因此被称为铁电性。铁电性得名于铁磁性，但实际上大多数铁电材料并不含有铁元素。

发现史

铁电性的研究始于1894年，当时Pockels发现了罗息盐具有异常大的压电常数。1920年，Valasek在罗息盐晶体中发现了铁电电滞回线。此后，1935年和1942年，科学家们又在磷酸二氢钾（KHPO）及其类似晶体中发现了铁电性，以及钛酸钡（BaTiO）陶瓷的铁电性。至今，已知具有铁电性的材料多达一千余种。

自发极化

铁电体的自发极化是由晶体中原子（离子）位置变化引起的。自发极化分为两种类型：一是离子直接位移引起的极化，二是电子云变形引起的极化。前者约占总极化的39%，后者则是由于电子云的形变所致。此外，铁电相的起源也可以通过晶格振动频率变化来理解，这是所谓的“软模理论”。

电滞回线

铁电畴在外电场作用下的运动可通过电滞回线进行宏观描述。铁电体的极化随着电场的变化而变化，极化强度与外加电场之间呈非线性关系。当电场施加于晶体时，沿电场方向的电畴扩展，晶体极化程度变大；而与电场反平行方向的电畴则变小。极化强度随外电场增加而增加，直至达到饱和。当电场减小时，剩余极化强度P（remanent polarization）会逐渐减少，直到矫顽场E（coercive field）时，剩余极化才会完全消失。电滞回线反映了铁电畴在外电场作用下的运动规律。

影响因素

温度

温度会影响电畴运动和转向的难易程度。矫顽场强和饱和场强随温度升高而降低。极化温度较高时，可在较低的极化电压下达到相同的极化效果，电滞回线形状较瘦长。环境温度对材料的晶体结构也有影响，特别是在相界处（晶型转变温度点）较为显著。若温度超过居里温度，铁电性消失。

时间和电压

电畴转向需要一定时间，时间越长，极化越充分，电畴定向排列更完全，剩余极化强度越高。极化电压越大，电畴转向程度越高，剩余极化变大。

结构

同一材料的单晶体和多晶体的电滞回线不同。单晶体的电滞回线接近矩形，P和P很接近，且P较高；陶瓷的电滞回线中P与P相差较大，表明陶瓷多晶体不易成为单畴，即不易定向排列。

介电特性

铁电体具有非线性和高介电常数的介电特性。非线性指介电常数随外加电场强度非线性变化。高介电常数是由于铁电体的自发极化和外加电场共同作用所致。铁电体的介电常数受材料结构影响，可用电畴观点解释。在低电场强度作用下，电畴转向主要取决于90°和180°畴壁的位移。

压峰效应

压峰效应是为了降低居里点处的介电常数峰值，即降低ε-T非线性，使工作状态对应于ε-T平缓区。例如在BaTiO中加入CaTiO可使居里峰值下降。常用的压峰剂是非铁电体，如在BaTiO加入BiSnO，其居里点几乎完全消失，显示出直线性的温度特性。

峰移效应

峰移效应是通过引入某种添加物生成固溶体，改变原有晶胞参数和离子间相互联系，使居里点向低温或高温方向移动。例如加入PbTiO可使BaTiO居里点升高。

晶界效应

陶瓷材料晶界特性的重要性不亚于晶粒本身特性。例如BaTiO铁电材料，由于晶界效应，可以表现出各种不同的半导体特性。

应用

存储

铁电性中的电滞现象可用于信息存储。利用铁电畴在外电场下反转形成的高极化电荷或无反转形成的低极化电荷，可以判断存储单元的状态，从而制作铁电存储器。

光学元件

铁电体的剩余极化强度使其适用于光学元件。已研制出透明铁电陶瓷器件，如显示器件、光阀、全息照相器件等。常见的铁电材料包括掺镧的锆钛酸铅（PLZT）透明铁电陶瓷和BiTiO铁电薄膜。

电子元件

铁电材料的非线性性质可用于制造电压敏感元件、介质放大器、脉冲发生器、稳压器、开关、频率调制等电子元件。已获应用的材料包括BaTiO-BaSnO和BaTiO-BaZrO等。

相关条目

- 铁电材料

- 铁电随机存取内存 (FeRAM)

参考资料

参考资料

铁电性.360个人图书馆.2024-09-13

进入知乎.知乎专栏.2024-09-13

铁电性的应用.铁电性的应用.2024-09-13