电致伸缩效应及其应用

一、电致伸缩效应 电致伸缩(electrostriction)效应是一种机电耦合效应.它是指当外电场作用于电介质上时,所产生的应变正比于电场强度(或极化强度)的平方的现象.由于电致伸缩效应引起的应变与外加电场的方向无关,所以一般固体电介质都能产生电致伸缩效应. 由热力学唯象理论可知,对于晶格点群属于具有对称中心的材料,其应变x与极化强度P的关系为(无外应力时)即应变与极化强度的平方成正比.将x的两个脚标按惯例简化成一个,(1)式改写成 再规定 其中μ=4,5,6,分别对应于k,l的组合为23,13,12.这样,电致伸缩系数山山本来是sl个分量的四阶张量,简…     

1-3型纳米多铁复合薄膜中电场诱导的磁化研究

运用Landau-Devonshire热力学唯像理论,考虑铁电相和铁磁相的电致伸缩、磁致伸缩效应以及产生于铁电/铁磁和薄膜/基底界面的弹性应力作用,两次重整介电和磁作用系数得到了这种多铁系统在Landau自由能函数下的本征二次方磁电耦合形式,从而研究了外延1-3型纳米多铁复合薄膜中极化、磁化随薄膜厚度、温度的变化以及该薄膜中外加电场诱导的磁化变化.结果表明薄膜平面内的应压力的弛豫使得磁化强度和极化强度随薄膜厚度的增加而减少,外加电场不仅能诱导铁电相极化场翻转,而且由于铁电和铁磁相界面竖直方向的弹性耦合导致 关键词： 多铁 磁电效应 磁致伸缩 薄膜     

巨电流变效应及其机理

文章介绍了一种全新的电流变材料，即一种具有巨电流变(giant electro-rheological，简称GER)效应的纳米颗粒电流变液．之所以称之为“巨”，是因为此类材料的电流变效应远远突破了通常理论所预测到的“上限”，其剪切强度超过100kPa．同时文章作者还发现，此类电流变效应与外加电场呈线性变化关系，而非通常的二次方关系．用所提出的“表面极化饱和”模型圆满地解释了GER效应的实验结果．     

铁电材料中电场对唯象系数和电卡强度的影响

由于电场强度能够影响铁电材料的极化强度和介电常数,因此唯象系数a0是电场强度的隐函数.在铁电相区域,唯象系数a0由铁电极化强度和介电常数倒数确定,是电场的非线性函数.在顺电相区域,唯象系数a0由介电常数倒数确定,也是电场的非线性函数.本文研究了铁电共聚物、铁电三聚物和钛酸锶钡钙陶瓷的唯象系数与电场的关系,发现唯象系数随电场的增加而增加,最大约1倍.电卡强度被用来表征电卡材料在电场作用下的电卡效应强弱,通过研究电卡强度可以发现高效率的电卡材料.本文通过热力学理论,得到了电卡强度的解析表达式,发现唯象系数、相变温度、极化强度、比热以及相变温度处的介电常数峰值,对电卡强度具有明显的影响.该表达式适用于一级相变材料、二级相变材料、以及弛豫型铁电体.     

外加电场对铁电薄膜相变的影响

采用热力学非线性理论,研究了外加电场对立方基底Pb(Zr_0.3Ti_0.7)O₃(PZT)铁电薄膜相变的影响.通过数值计算,得到了"失配应变-外加电场"相图,及外加电场与极化强度的关系.当外加电场达到186 kV/cm时,能使生长在SrTiO₃ 基底上PZT铁电薄膜从单斜r相转变为c相.在实验上,采用扫描探针显微镜通过对PZT薄膜施加不同的极化电场来研究了它的电畴翻转.从得到的压电响应相图可以看出,绝大多数的电畴是清晰可 关键词： 铁电薄膜 相变 扫描探针显微镜 失配应变     

球形无规键无规场模型研究弛豫铁电体极化效应

基于球形无规键无规场模型和电场作用下弛豫铁电体微畴-宏畴机理,利用模糊畴界观点以及电场对极化的分数维效应,分析了电场对畴的作用机理.研究结果表明:电场对畴的诱导偶极子增量的极化效应导致了电滞回线的不饱和及相关的大的电致伸缩效应;而畴的偶极子增量耦合时结合能的变化对低电场的电滞回线略有影响,但基本不会改变高电场时的极化状态.初始微畴大小对电滞回线非常重要,细小的微畴会导致细长的电滞回线及电场与电致伸缩良好的线性关系.     

异型磁体/铁电复合材料中的电致变磁导及电致变阻抗效应

利用应力变磁导与电致伸缩效应的乘积效应,设计和制备了一种新型的异型磁体/铁电复合材料,并研究了该材料的电磁耦合特性.在5 kV/cm的恒定电场下,观察到接近40%的电致变磁导（电感）及相应的电致变阻抗效应存在于一个较宽的频域（50—1×10⁵Hz）上.该电致变磁导（电感）及电致变阻抗显示了铁磁弛豫和铁电弛豫的联合效应.研究认为,该异型复合材料所显示的所有电磁耦合行为均可归因于电场诱导的材料中磁体内部应力场的变化. 关键词： 电磁耦合 异型复合材料 应力变磁导 电致伸缩     

外加电场和Al组分对纤锌矿AlGaN/GaN量子阱中的电子g因子的影响

研究了外加电场和垒层的Al组分对AlGaN/GaN量子阱中的横向和纵向g因子(g⊥和g//)及其各向异性(δg)的影响.纤锌矿体结构的贡献(S_//~(bulk)和g⊥)是构成g⊥=(g//-g_0)=g_//~(bulk)的主要部分,但g_//~(bulk)和g⊥的差值很小且几乎不随外加电场和Al组分改变.当外加电场的方向同极化电场的方向相同(相反)且增加时,g_//~(bulk)和g_⊥~(bulk)的强度同时增加(减小).当外加电场从-1.5×10~8 V·m~(-1)到1.5×10~8 V·m~(-1)变化时,异质结界面对g⊥的贡献(Γ_(Inter))大于0且强度缓慢增加,阱层对g⊥的贡献(Γ_W)小于0且强度也缓慢增加.然而Γ_(Inter)的强度比Γ_w大,且后者的强度随着外加电场的改变增加较快,所以δg0且强度随着外加电场的变化而减小.当垒层的Al组分增加时,如果不考虑应变效应(S_(1,2)=0),g_//~(bulk)和g⊥的强度同时减小,然而考虑应变效应后(S_(1,2)≠0),β_1g⊥和γ1(g_//~(bulk))的强度随着Al组分的增加而增加.随着垒层Al组分的增加,Γ_(Inter)和Γ_w的强度都增加,但Γ_(Inter)的强度较大且增加得较快,所以的的强度缓慢增加.g⊥的强度先随着Al组分的增加而减小,然后又随着Al组分的增加而增加,因为g⊥小于0且强度随着Al组分增加得很快.结果表明,AlGaN/GaN量子阱结构中的电子g因子及其各向异性可以被外加电场、垒层的Al组分、应变效应和量子限制效应共同调制.     

磁致伸缩/压电叠层复合材料磁-机-电耦合系数分析

分析和推导了磁致伸缩/压电叠层复合材料的机-电耦合系数、磁-机耦合系数及磁-电耦合系数与磁致伸缩层和压电层性能参数及几何参数之间的关系.进一步分析表明,叠层复合材料低频时的磁电电压系数正比于磁-电耦合系数,谐振时的磁电电压系数正比于磁-电耦合系数与机械品质因素的乘积;磁电电压系数还与复合结构的本征阻抗有关,本征阻抗越大磁电电压系数越大.通过性能差异较大的Terfenol-D和FeNi基弹性合金分别与压电材料PZT5-H和PZT8相互组合构成复合材料的比较分析,进一步阐明了磁电复合材料磁-电耦合系数和机械品 关键词： 磁电效应 磁-机-电耦合系数 磁致伸缩材料 压电材料     

偏置磁场对磁致伸缩/弹性/压电层合材料磁电效应的影响

根据磁致伸缩材料的非线性本构关系得到其动态杨氏弹性模量和动态压磁系数,结合等效电路法得到磁致伸缩/弹性/压电层合材料的磁电效应与磁致伸缩材料的动态杨氏弹性模量和动态压磁系数的关系,讨论了偏置磁场对这种层合材料的谐振频率和谐振磁电电压转换系数的影响.理论推导和实验结果均表明,存在最佳偏置磁场使磁致伸缩/弹性/压电层合材料的谐振磁电电压转换系数最大. 关键词： 磁致伸缩/弹性/压电层合材料 磁电效应 偏置磁场 非线性本构关系     

双横向电光克尔效应

理论分析了克尔(Kerr)介质在两个横向电场作用下的电光调制特性.并由此确定了具有双横向电光克尔效应的光学材料种类.采用折射率椭球方法分析可知,各向同性克尔介质和一些晶体在横向外加电场作用下,其电光相位延迟与外加电场幅值的平方成正比,与电场方向无关;而其电光双折射主轴方位角与外加电场的方向角成正比,与电场幅值无关,称这种电光调制特性为双横向电光克尔效应.理论分析结果表明,排除兼有泡克耳斯(Pockels)效应和电致旋光效应的材料,立方晶系432,m3m点群和六角晶系6/mmm点群的晶体以及所有各向同性光学介质具有双横向电光克尔效应.目前已有克尔常数较大的陶瓷玻璃材料研制成功,将有力地促进双横向电光效应在光学各领域中的广泛应用.     

CdS0.1Se0.9纳米晶体共振电光效应

采用电吸收谱(EA)的方法研究了在电场作用下,CdS_0.1Se_0.9纳米晶体光学性质的变化.分析了电场效应的物理机制,电场效应是使纳米晶体的吸收谱展宽和移动.第一激发态对外加电场敏感,而其它激发态不敏感.从电吸收谱上得到电光响应信号幅度与外加电场场强的平方成正比,表明纳米晶体的电光效应是 Kerr效应,具有三阶非线性极化率 χ⁽³⁾.     

热释电效应的几种应用

晶体的32种对称类型中有21种没有对称中心,而在具有压电性的20种无对称中心的点群中,有10种点群的晶体具有热释电效应.这类晶体存在固有的自发极化,当晶体的温度变化时,自发极化强度也随之改变,与极化强度方向垂直的晶体表面产生过剩的热释电电荷.最早观察到热释电现象的矿石是电气石.十九世纪初发现罗息盐(酒石酸钾钠)的热释电性,以后又陆续发现很多晶体具有热释电性能.目前常用的红外探测器材料有硫酸三甘肽(TGS)、钽酸锂、铌酸锶钡以及钛酸铅陶瓷等.实用的热释电材料都是铁电体,它们的极化强度能随外加电场而反转.二十世纪三十年代有人…     

磁致伸缩材料磁弹性内耗的场依赖特性及其用于磁场传感研究

分析和测试了磁致伸缩材料磁弹性内耗的偏置磁场依赖特性,发现Terfenol-D的品质因数(与内耗的量值成反比)强依赖于偏置磁场.利用磁致伸缩材料磁弹性内耗强依赖于偏置磁场的特性,提出了一种静态和准静态磁场的磁传感器方法,即将磁致伸缩材料与压电变压器单元层叠构建一种复合变压器.分析表明:在谐振状态下,复合变压器的输出电压正比于其品质因数,于是复合变压器的输出电压强依赖于偏置磁场;磁致伸缩材料的ΔE效应对复合变压器输出电压的影响很小.制备Terfenol-D/PZT8复合变压器进行了实验,结果表明,在近谐振状态下,当激励输入电压振幅为0.5V时,复合变压器工作的输出电压对静态磁场的灵敏度达到～5.12mV.Oe-1.     

共轭聚合物中均匀无序对极化子输运动力学的影响

基于扩展的Su-Schrieffer-Heeger紧束缚模型和非绝热动力学方法, 研究了共轭聚合物材料中均匀无序效应对极化子输运动力学的影响. 研究发现: 极化子的动力学输运过程由外加电场和均匀无序效应共同决定; 在大部分电场范围下, 均匀无序效应对极化子输运的影响不太明显, 几乎可以忽略; 但在弱电场下, 均匀无序效应不利于极化子输运. 与高斯型无序效应下极化子的输运过程相比, 具有均匀无序的薄膜形貌更有利于极化子输运.     

铁电相变中极化与介电性的随机场效应

基于随机场Ising模型描述的有序无序相变中偶极子在电场作用下的反转运动, 研究了有序无序相变过程中电场与极化强度的关系. 认为tanh(x) 的函数关系与位移型二阶铁电相变极化强度随电场变化的实验结果完全相同. 由此得出基本结论: 偶极子的集体转向造成了极化强度的增大并等同于内电场的增加. 通过区分光学模和偶极子对介电隔离率的贡献, 考虑偶极子极化对介电常数复数形式的频率色散关系, 发现从高斯分布的居里温度可以导出二阶铁电相变过程中介电常数与温度和频率的色散关系. 关键词： 铁电相变 极化强度 随机场     

逆压电效应与电致伸缩效应

可能是由于顾名思义的缘故,人们[1-4]常把电致伸缩效应称之为逆压电效应,认为逆压电效应就是电致伸缩效应.其实,逆压电效应与电致伸缩效应是截然不同的两种概念. 1880年,居里兄弟(Pierre and JacquesCurie)发现了压电效应,即某些不具有中心对称性结构的晶体.沿某些方向受压时,其表面产生束缚电荷,电荷量正比于所受的压力.历史上称该效应为正压电效应.1881年,居里兄弟又证实了Lippmann关于存在逆压电效应的预言,即具有正压电效应的晶体在外电场作用下会发生形变,形变与外场成正比,外场极性反转,形变符号也随之改变.人们称该效应为逆压电效…     

PLZT电光开关特性及其应用

一、引 言 透明铁电陶瓷锆钛酸铅镧(简称PLZT)是近十年来发展起来的一种新型电光材料[1].由于它们具有优良的电光性能,以及制备工艺较简单等优点,因此,自其问世以来就吸引了很多研究工作者的兴趣.现已在电光技术的各个方面开拓了许多应用研究,涉及到光防护、立体光学、激光、显示、全息和计算技术等各方面[2-6]。 特别是PLZT的某些组分具有电场诱导相变的特性,即在无外加电场时属顺电相,而在外加电场作用下,可强迫感生铁电相.铁电相表现为二次电光效应,即克尔效应,如图1(c)所示.这样就克服了记忆型和线性型材料(图1(a)和1(b))的剩余极化…     

基于能量转换原理的磁电层合材料低频磁电响应分析

提出了一种基于能量转换原理的磁致伸缩/压电层合材料低频磁电响应模型,并对不同层合结构的磁电响应特性进行了对比研究.该模型假定层合材料层间能量传递通过层间剪切力来实现,利用应力函数法分析了磁致伸缩层和压电层的应力与应变,求出了磁致伸缩层的应变能和存储磁场能以及压电层的应变能和电场能;利用Hamilton最小能量原理求出了层间剪切力的大小,获得了开路状态下层合材料的低频磁电响应模型.发现磁电电压系数与磁致伸缩材料的磁导率、泊松比、磁机耦合系数以及压电材料的泊松比、机电耦合系数等有关,并对这些参数的影响进行了分析.同时对两层和三层结构的层合材料磁电特性进行了对比研究,发现层合结构不同则获得的磁电系数公式不同,用相应的公式计算得到的误差才会最小.研究结果表明,本文的理论误差小于6.5%,与其他方法相比,本文的理论模型能更好地描述磁电层合材料的低频磁电响应特性.     

用激光干涉法测量电致伸缩系数

简述了利用迈克耳孙干涉仪测量电致伸缩系数的原理,介绍了测量电致伸缩系数的方法,给出了同心圆干涉条纹的圈数与所加电压的关系以及利用线性回归法求准线性区域的电致伸缩系数的测量结果.