金屬鐵電熱膨脹斷口分析便攜式金相顯微鏡
線性屬性
當電活性材料處于其立方的狀態，也稱為順電相時，其所有屬性都可以
在各向同性材料中找到，包括彈性、機械性、熱膨脹系數和比熱。然而，
由于順電狀態中心對稱，所以它不具有壓電、熱電以及其他更有趣的耦合
特性。當這種材料在鐵電態時這些屬性會出現。考慮一個鐵電
態單胞。在垂直方向施加電場導致鈦離子和氧八面體之間的分離增加，這
超過了由相變引起的初始位移。這種電荷分離意味著單元偶極矩的變化并
導致這種材料的極化／電位移增加。首先，電位移變化和所施加的電場成
比例，從而導致材料的線性介電響應。
隨著偶極矩的增大，鈦離子和氧八面體之間的附加分離進一步扭曲單
胞的形狀并導致宏觀應變。此外，在第一階響應中，材料應變的變化和所
施加的電場成比例。這種線性響應被稱為逆壓電效應。需要注意的是，施
加一個與初始的自發極化相反的電場將會導致材料回到立方結構，這會造
成電位移（介電效應）和應變（壓電效應）的減小。直接壓電效應是指當
施加應力或壓力時材料的電位移會發生變化。
首先，施加壓力將導致材料發生應變，這是標準的彈性，對小應力水平來
說應力和應變成正比。壓應力使單胞朝著立方狀態收縮。壓縮過程伴隨著
偶極矩，即鈦離子和氧八面體之間的分離的減少，并且第一階響應是線性
的。注意，熱力學因素規定，正壓電效應中電位移與施加應力的比例常數
和逆壓電效應中應變與施加電場的比例常數相同。
將偶極矩與單胞的畸變聯系，可以對鐵電耦合特性有大量洞察。帶著
這個想法，最后的性能討論歸結為對熱電材料和熱電行為的討論。順電態
材料冷卻時，立方體三個方向的尺寸變化和各向同性材料類似。當材料冷
卻至居里溫度以下時，其一階相變將引起晶格參數跳躍，導致兩個相等的
參數“下降，即四方晶胞的c軸隨著偶極矩從零增大到一個限定值。注意，
對于二階相變來說不會有品格參數的不連續跳躍，但類似的變化會逐漸發
生。在任一情況下，隨著溫度降低到遠低于T（，晶胞的“軸不斷減小，c
’軸不斷增加。在室溫附近較小的溫度變化引起的應變變化是線性的。此
外，熱膨脹系數沿n軸方向是正的，沿r軸方向是負的。這一方向依賴性的
材料屬性是各向異性材料的獨特表現。事實上，所有的材料都表現出各向
異性的性質，包括彈性和介電性能。
如前所述，偶極矩和晶胞的畸變相關，所以當溫度降低時，偶極矩沿f
軸方向增加。此外，溫度變化較小時這種關系是線性的，這種行為稱為熱
釋電。與壓電一樣，熱膨脹和熱釋電都有其逆效應，這些效應被稱為壓熱
和電熱效應。例如，對于一個絕熱過程，即當熱不能從這種物質流入或流
出時，在自發極化方向施加電場將導致介電效應電位移增加，而電位移的
增加將使得材料遠離高熵立方狀態即電場將使熵減小。然而，由于可逆絕
熱過程等熵，故熵必須保持固定，這由材料溫度升高而引發的熵增完成。
類似地，一個反向的電場會導致溫度的降低。
