李美亚-20130507-近代物理讲座-新型多铁多功能材料的研究及其应用

李美亚，教授(博导):Tel:[phone],Email:[e-mail]1新型多铁多功能材料的研究及其应用近代物理专题讲座李美亚智能光电材料与器件研究室李美亚，教授(博导):Tel:[phone],Email:[e-mail]2主要学习简历李美亚教授(博导)1978-85武汉大学物理系学习；1994-97北京大学物理系/微电子所博士毕业；主要留学研究简历★1990-91英国Sheffield大学物理系访问学者；★2000-03美国Argonne国家实验室，博士后研究；★2006－07新加坡国立大学物理系磁性与超导研究中心，研究访问。李美亚，教授(博导):Tel:[phone],Email:[e-mail]3★2000-03美国Argonne国家实验室，博士后研究李美亚，教授(博导):Tel:[phone],Email:[e-mail]42006－07新加坡国立大学物理系磁性与超导研究中心，研究访问李美亚，教授(博导):Tel:[phone],Email:[e-mail]51.《近代物理实验》—物理、材料、电科本科生；2.《综合物理实验》—物理、材料、电科本科生；——多铁功能材料的制备及性能研究；3.《光电子技术》(三上)—本科生；4.《量子电子学》—研究生课程主要讲授课程：李美亚，教授(博导):Tel:[phone],Email:[e-mail]6主要研究领域：1.铁电、压电、多铁功能陶瓷与薄膜材料；2.光电、磁电传感及其智能器件；3.电致电阻变换薄膜效应与存储器件；4.TiO2纳米晶太阳能电池薄膜与器件。李美亚，教授(博导):Tel:[phone],Email:[e-mail]71.铁电、压电、多铁功能材料概述2.铁电、压电、多铁功能材料的研究及应用3.铁电、压电、多铁功能的制备与性能表征4.铁电与多铁功能材料的电阻变换报告主要内容除涉及多门普通物理及其实验课程外，还涉及《固体物理》、《电子功能材料》、《半导体物理》、《半导体与光电器件》、《光电子技术》等等专业课程李美亚，教授(博导):Tel:[phone],Email:[e-mail]81.1电介质材料在电场中没有稳定传导电流通过而以感应的方式对外场做出响应的物质称为电介质。其特征物理量是电极化矢量P电介质材料的介电性能通常以介电常数ε、介电损耗tanδ、电导σ、介电击穿以及介电色散等参数为表征。常见的电介质材料：钛酸锶钡(Ba1-xSrxTiO3，BST)、水晶等。绝缘体是典型的介电材料。1．铁电、压电、多铁功能材料概述（1）定义李美亚，教授(博导):Tel:[phone],Email:[e-mail]9（2）电介质材料的性质电介质材料一般具有许多可供利用的性质，如介电性、铁电性、压电性、热释电性、电致伸缩性、电光效应和非线性光学特性等。李美亚，教授(博导):Tel:[phone],Email:[e-mail]10（3）电介质材料的应用：铁电性——高密度、抗辐照、非挥发性新型铁电存储器；压电性——微型压电马达、潜艇声纳探测器、能量转换器件热释电性——红外成象探测器件；介电可调谐性——移相器（用于先进相控阵雷达）多铁磁电耦合——新型磁写电读存储器与磁电耦合器件纳米管线阵列——微纳智能器件。李美亚，教授(博导):Tel:[phone],Email:[e-mail]11（3）电介质材料的应用介质振荡器超声清洗器大容量电容介电功能的应用：高介电容器、微波介电陶瓷、移相器等。李美亚，教授(博导):Tel:[phone],Email:[e-mail]12移相器（3）电介质材料的应用李美亚，教授(博导):Tel:[phone],Email:[e-mail]13预警机(AirEarlyWarning，AEW），是为了克服雷达受到地球曲度限制的低高度目标搜索距离，同时减轻地形的干扰，将整套远程警戒雷达系统放置在飞机上，用于搜索、监视空中或海上目标，指挥并可引导己方飞机执行作战任务的飞机。美国海军E-2C“鹰眼”预警机中国空警-2000相控阵雷达——机载、星载预警系统（3）电介质材料的应用李美亚，教授(博导):Tel:[phone],Email:[e-mail]14铁电体是一类具有自发极化(P)的材料，且自发极化有两个或多个可能的取向，在外电场的作用下，其取向可以改变。表征材料具有铁电性的两个主要宏观参数:电滞回线、铁电畴。常见的铁电材料：罗息盐、BaTiO3、PbTiO3、KH2PO4（KDP）、(Sr,Ba)TiO3、BiFeO3等。1.2铁电材料(1)定义李美亚，教授(博导):Tel:[phone],Email:[e-mail]15（2）铁电畴和铁电极化电畴：铁电体内自发极化方向相同的小区域。自发极化：在没有外界电场的作用下，晶体中存在着由电偶极子的有序排列而产生的极化。重要参量：Pr—剩余极化Ps—自发极化Ec—矫顽场铁电体的电滞回线和电畴Polarization(mC/cm2)Electricfield(kV/cm)Hysteresisloop李美亚，教授(博导):Tel:[phone],Email:[e-mail]16（3）铁电材料的应用典型应用：非挥发性、抗辐照的铁电存储器，新型多态存储器件李美亚，教授(博导):Tel:[phone],Email:[e-mail]17（3）铁电材料的应用PTC热敏元件光波导分路器此外，利用铁电材料的电光效应还可以制成光开关、光显示器件；利用其光折变效应可制成光信息存储器件等。李美亚，教授(博导):Tel:[phone],Email:[e-mail]181.3压电性与压电材料（1）定义：压电性就是某些晶体材料按施加的机械力成比例地产生电荷的能力（如图1.2所示）。常见的压电晶体有石英、罗息盐、LiNbO3、LiTaO3压电陶瓷等。压电原理示意图李美亚，教授(博导):Tel:[phone],Email:[e-mail]19（2）压电材料的性质压电效应：当这些晶体在一定的方向上受到压力时，在其两端表面上会出现数量相等、符号相反的束缚电荷。逆压电效应：晶体在电场的作用下产生形变或应力。压电效应示意图李美亚，教授(博导):Tel:[phone],Email:[e-mail]20（3）压电材料的应用超声波探头压电马达声换能器压电双晶片压电变压器压电晶体振荡器李美亚，教授(博导):Tel:[phone],Email:[e-mail]21压电薄膜传感器（3）压电材料的应用李美亚，教授(博导):Tel:[phone],Email:[e-mail]22压电马达线性压电超声驱动器二维压电致动平移台声纳探鱼器潜艇声纳（3）压电材料的应用李美亚，教授(博导):Tel:[phone],Email:[e-mail]231.4热释电材料（1）定义热释电效应是指晶体由于受热温度发生变化而导致自发极化发生改变，在晶体的一定方向上产生表面电荷的现象。常见的热释电材料有钽酸锂和锆钛酸铅陶瓷。热释电效应示意图李美亚，教授(博导):Tel:[phone],Email:[e-mail]24（2）热释电效应原理温度变化△T而导致自发极化变化△P，两者关系为：TPPS当△T=0，即材料处在热平衡状态时，束缚电荷被等量反号的自由电荷所屏蔽，其宏观极化状态并不直接显示出来。当△T≠0，原来的自由电荷不能再完全屏蔽束缚电荷，多余的屏蔽电荷被释放出来。（1.3）李美亚，教授(博导):Tel:[phone],Email:[e-mail]25（3）热释电材料的应用红外热释电传感器热释电开关灯头焦平面热成像仪红外成象李美亚，教授(博导):Tel:[phone],Email:[e-mail]261.5铁磁性和铁磁体（1）定义对于磁性材料，磁化强度M与磁场H存在以下关系：M=χH（1.4）χ0，为“顺磁性材料”；χ0，为“抗磁性材料”若M不正比于外加磁场H，甚至不是H的单值函数，而与外加磁场的历史有关，这类材料称为铁磁性材料。李美亚，教授(博导):Tel:[phone],Email:[e-mail]27铁磁体的磁滞回线（2）铁磁体的磁滞回线重要参量：Br——剩余磁化强度Bs——饱和磁化强度Hc——矫顽场李美亚，教授(博导):Tel:[phone],Email:[e-mail]28（3）不同磁性材料的磁矩不同磁性材料磁矩示意图李美亚，教授(博导):Tel:[phone],Email:[e-mail]29（4）铁磁体的应用•永磁扬声器、计算机和软盘、录像磁带等硬盘录音磁带李美亚，教授(博导):Tel:[phone],Email:[e-mail]301.6铁弹性和铁弹体（1）定义磁场的作用下离子间产生很强的引力，使晶胞沿某一晶向伸缩，从而导致晶系体积或者形状发生变化。一些晶体在其内部能形成自发应变的小区域，称为铁弹畴，同一铁弹畴内的自发应变方向（畴态）相同，任两个铁弹畴的畴态相同或呈镜面对称。外加应力可使铁弹畴从一个畴态过渡到另一畴态。这样的性质就是铁弹性。具有铁弹性的电介质称为铁弹体。李美亚，教授(博导):Tel:[phone],Email:[e-mail]31（2）铁弹体的性质在周期性外应力作用下，应变与应力的关系曲线类似于磁滞回线（称为力滞回线）。铁弹体的电容率、折射率、电导率、热胀系数、导热系数、弹性模量和电致伸缩率等因方向而异，且这种方向性会随应力而变，利用这些特点在制造力敏器件上有着广泛的应用前景。李美亚，教授(博导):Tel:[phone],Email:[e-mail]321.7磁致伸缩材料（1）定义铁磁性材料和亚铁磁性材料由于磁化状态的改变，其长度或体积发生微小变化的现象称为磁致伸缩。其中长度的变化称为线性磁致伸缩（Joule效应）。李美亚，教授(博导):Tel:[phone],Email:[e-mail]33（2）磁致伸缩的应用超声波发生器滤波器稳频器此外，利用材料在交变磁场作用下长度的伸长和缩短，还可以制成超声波接收器、以及力、速度、加速度等的传感器、延迟线和磁声存储器。李美亚，教授(博导):Tel:[phone],Email:[e-mail]341.8磁电耦合效应（1）定义具有磁电耦合效应（magnetoelectric，简称ME）的材料可以使能量在电场和磁场之间转换。正磁电效应：磁场H电极化P；逆磁电效应：电场E磁化M李美亚，教授(博导):Tel:[phone],Email:[e-mail]352.1多铁材料（1）定义:同时具有铁电性、铁磁性、铁弹性中的两种或两种以上性能的材料，可具有磁电耦合效应。2.多铁功能材料的应用及研究动态（2）范畴:李美亚，教授(博导):Tel:[phone],Email:[e-mail]36（3）多铁材料的应用利用多铁材料磁电耦合效应：新型存储器（电写磁读），自旋电子器件，传感器件等李美亚，教授(博导):Tel:[phone],Email:[e-mail]37电场导致自旋重取向磁电随机存储器(MERAM)工作原理●通过在多铁铁电与反铁磁层间加上电压写入信息（绿色）●由底部铁磁层（蓝色）的磁矩方向存储二进制信息●通过三铁