(山东大学物样系.济南
250100)
搞 量
介绍了铁电体物理学的基本概惫、发展简史、近年来的主要进展以及当前的研究方向.
指出铁电体物理学研究的核心是自发极化，发展历史可分为四个阶段.近年来的主要进展有四方面，即，
第一性原理的计算献电相变的尺寸效应扶电液晶和铁电聚合物，集成铁电体.当前的研究方向主要有
两个，一是低维系统二是调制结构.
Abstr8ct A brief
introduction is given t() the physics of feTroelectrics， including
itS
basic concepts ，
hiStory， progress in recent yea1ˉS and present research trendS. It is pointed
out
that the core of
the ferroelectrics phySicS is Spontaneous polarization. The histoTy can be
di一
vided int() 邃our
stageS. Recent yea1ˉS have vvitneSSed significant progTeSS in f()ur aSpects ， i.
e. ，
calculation frorn
firSt principles ， the size effect in ferroelectric phase transitions ,
fertoelectric
liquid cryStalS
and polymers and integrated fetroelectricS. The principal research trends
today
are low
difnensional SySte【ns and Inodulated St文uctures.
Key
Words
ization
nlodulated structure
1
核心是自发极化
一般电介质只有在电场作用下才出现极
化，但有些电介质中存在自发极化，而且自发极
化可在电场作用下转向(不一定反向),这类电
介质就是铁电体.显然对物理学家来说,最有兴
趣的问题是自发极化的起源.几十年来周绕懂
这个问题的研究形成了铁电体物理学.作者在
即将由科学出版社出版的专著《铁电体物理尝》
中，用图
1概括了当前铁电体物理学的主要内
容.它可分为两大部分，第一部分是关于自发极
化的产生机制,这表现为铁电相变理论，第二部
分是极化状态在各种外界条件下的变化，这康
现为铁电体的各种功能效应，即介电响应、极此
反转、压电、热电、电光和非线性光学效应等.第
一部分有深远的学术意义，激起了凝聚态理论
25 卷(1996 年)第 4
期
ferroelectric
Soft !node ， Size effect ， low diTnensional ferroelect1ˉics ，
polat-
工作者的浓厚兴趣.第二部分有重要的应用价
值，不但许多物理学家而且许多材料科学家都
在这方面积极开展工作.
~
极化是一种极性矢量，自发极化的出现在
晶体中造成了一个特殊方向.每个品胞中原子
的构型使正负电荷重心沿该方向发生相对位
移,形成电偶极矩。
整个晶体在该方向呈现极
性，一端为正，一端为负.因此，这个方向与晶体
的其他任何方向都不是对称等效的，称为特殊
极性方向换言之，特殊极性方向是在晶体所属
点群的任何对称操作下都保持不动的方向.显
然这对晶体的点群对称性施加了限制.在
32
个晶体学点群中，只有 10
个具有特殊极性方
向，它儡『]是g1(C1)，2(Cz)，肌(C薰),
mm 2(Czw)，
4(C4) ，4mm(C4w)
，3(Ca) ，，3m(Csm) ，6(Ce)和
，备
1995年9月26日收到初稿几995年10月30日收到隆改稿.
'193，
不论自发极化起因于何种机制,自发极化的出
现反映了系统内部有序化程度的提高.在相变
理论中，引入序参量描写有序化程度.对铁电相
变，自发极化就是序参.序参是表征相变的
基本参量，它在一相中为零,另一相中不为零.
有序化程度的变化是与晶体对称性的改变相联
系的，所以序参量应能说明相变中对称性的改
变.但在有些铁电体中,自发极化并不能完全说
明对称性的变化，其自发极化的出现是与某个
其他参耦合的结果.在这种情况下，称自发极
化为次级序参，而把既能表征系统内部有序
化程度，又能说明相变中对称性变化的物理量
称为初级序参.次级序参量是由于与初级序
参量耦合才具有非零值.
自发极化只是次级序
参的铁电体，叫非正规或非本征铁电体.
根据晶体结构测定和理论分析，可将铁电
相变分为两种类型,即位移型和有序无序型.
由于原子的非谐振动，使其平衡位相对
于顺电相发生了偏移,这是产生自发极化的一
种机制.因为这类相变是原子位移的结果,所以
称为位移型相变.呈现这类相变的铁电体称为
位移型铁电体， PbTi03 和
BaTi03 等属于这
种类型薰这类铁电体的特征之一是居里常C
大，约为 105
K.
在有些铁电体中,某种原子或原子团有两
个或几个平衡位.在顺电相，原子或原子团在
这些位的分布是无序的.在铁电相，它们的分
布有序化，即择忧地占据其中某个平衡位.这
是产生自发极化的另一种机制.因为相变是原
子或原子团分布有序化的结果,所以称为有序
无序相变.呈现这种相变的铁电体称为有序无
序型铁电体，
KHzP04(KDP) 是这类铁电体的
代表.这类铁电体的特征之一是居里常量C
小，约为 103
K.
必须指出，这种分类是近似的，许多铁电体
兼具有序无序和位移型的特征.例如原来认为
BaTio3可能是典型的位移型铁电体，随着实验
手段的提高，现在已有许多迹象表明，顺电相中
Ti 原子有多个平衡位，
BaTioa 的铁电相变
有明显的有序无序特征.
25 卷(1996年)第
4期
铁电相变理论的突破性进展是软模理论.
该理论认为，铁电相变应该在晶格动力学范围
内加以研究，具体来说，自发极化的出现联系于
布里渊区中心某个光学横模的软化，这里“软
化”指频率降低以致振动“冻结
”.这个模称为
软模.软化的原因可作如下直观的理解g振动着
的离子受到短程力和长程库仑力的作用，对光
学横模说，这两种力具有相反的符号.
当温度适
当时，二者的数值接近相等，使振动频率趋近于
零.软模理论集中注意对相变负责的晶胞中少
数离子，用单势阱中的非谐振子描述这些离子
的振动，成功地解释了铁电相变的主要特征.
软模理论最初是用来处理位移型系统的，
但后来人们认识到它也适用于有序无序系统，
不过在有序无序系统中，相变时软化的集体激
局
发不是晶格振动模而是匮自旋波o自旋波是
从铁磁性理论中移植过来的一个概念，它描述
了粒子在双势阱中的运动.
自旋波理论和方法
在铁磁学中早已成熟,这使肤自旋波在描述有
序无序型铁电体中迅速取得很大的成功.
软模理论的重要意义在于,它揭示了铁电
相变的共性，而且指出铁电相变只是结构相变
的一种特殊情况.一般地说,由布里渊区中心晶
格振动模导致的结构相变称为铁畸变性相变.
铁电相变是铁畸变性相变的一种，它是布里渊
区中心光学横模的软化产生自发极化的铁畸变
性相变.
由布里渊区中心以外某处模的软化导
致的结构相变称为反畸变性或反铁畸变性相
变，其中最重要的是软模波矢位于布里渊区边
界.在这种情况下，低对称相晶胞尺寸是高对称
相晶胞的整数倍，这种反畸变性相变称为晶胞
体积倍增相变.光学横模软化导致的晶胞体积
倍增相变将造成反铁电相，其中大小相等的相
邻电偶极子反向排列，总的极化为零.
2
四个发展阶段
铁电体的研究始于 1920 年.
那一年法国
人 valasek
发现了罗息盐(酒石酸钾钠，
NaKC4H4os '
4Hz0) 的特异的介电性能，导致 、
0195'
了其后“铁电性”概念的出现.关于铁电研究的
历 史 ， 近 年 来 在 《
ˉFerroe1ectr1cs 》和 《 Con-
densed Matter
NeWs灞 》等杂志上陆续发表了不
少文章，其中有的是系统的论述，有的是对某个
阶段或某一重大发展的回顾.这些文章读来饶
有兴味，颇多启发.
迄今铁电研究可大体分为四个阶段.第一
阶段是 1920 到 1939
年,这一阶段发现了两种
铁电结构,即罗息盐和 KHzPo.
系列，后者包
括 KHzP04 ， KDzPo4
， RbHzP04， CSHzPo4
以及反铁电体NH旧zP觑
等.第二阶段是
1940到11958年,这一阶段的主要成果是铁电
唯象理论得以建立并趋于成熟同时许多现在
广为应用的氯化物铁电体是在这个阶段发现
的.第三阶段是 1960 年到
70 年代，这是铁电
软模理论出现并基本完善的时期,称为软模阶
段.第四阶段是 80
年代至今，主要研究各种非
均匀系统.
5()
年代以来，铁电体的总数急剧增加，现
在已知的铁电体已达 200
多种(每种化合物或
固溶体只算一种，以掺杂或取代改变成份者不
算新的种类2铁电研究的论文数目逐年呈指数
增长 ，目前每年论文数都在
3000 以上.国际
上定期召开的主要学术会议有国际铁电会议
(1MF) 、欧洲铁电会议
(EMF) 、铁电应用国际
讨论会 (ISAF)
、集成铁电体国际讨论会
(ISIF) 、铁电液晶国际会议
(FLC) 以及 1995
年首次召开，由我国举办的亚洲铁电会议
(AMF) 等.专业杂志有 《
Ferroelectrics 》，
《 Ferroelectrics
Letters 》，《 IntegTated Ferro一
electticS 》 禾n 《
IEEE TranSactions on Ultra一
SonicS ，
FerroelectricS and Frequency control 》
等.铁电体的应用在不断扩大.铁电体作为陶瓷
电容器介质材料、压电材料(特别是压电陶瓷材
~
料)和热电材料早已得到普遍应用，确立了不可
替代的主导地位.铁电体的极化反转特性以及
非线性光学效应、电光效应和光折变效应已部
分得到应用，研究工作正在蓬勃展开，很有发展
前途，
'196'
3
近年来的新进展
近年来最重要的进展有以下四方面.
3.1
第一性魔理的计算
物理学家们最感兴趣的铁电性起源问题,
现在还没有真正决.人们还不能回答这样的
问题:为什么 BaT10a 和
PbT10a 有铁电性而
在晶体结构和化学方面看来都相同的
SrTios
却没有铁电性?
对固体这样一个由原子核和电
子组成的多体系统,如果能从第一性原理出发
进行计算测有可能得到答.现代能带结构方
法和高速计算机的发展使这种计算有了可能.
近年来， 《 Phys.
Rev. B 》等杂志发表了一系
列关于铁电体第一性原理计算的论史灬.
1990, 1992 和
1994 年连续举行了三次铁电体
第一性原理计算国际讨论会.对BaTi伍
，
PbTioa , KNboa 和
LiTa0a 等铁电体都开展
了第一性原理的计算，得到了电子密度分布、软
模位移和自发极化等重要结果，对阐明铁电性
的微观本质有重要的作用.
2.2
尺寸效应的研究
铁电薄膜和铁电超微粉的发展，使铁电体
尺寸效应的研究成为一个有重要实用意义的课
题近年来在有限尺寸铁电体的相变研究方面
有重要的迸展附臧理论上预言了自发极化、相
变温度和介电极化率等随尺寸变化的规律,计
算了典型铁电体的铁电临界尺寸.这些结果得
到了实验的证实，它们不但对集成铁电器件和
精细复合材料的设计有指导作用,而且是铁电
理论在有限尺寸条件下的发展.
3.9
铁电液品和铁电紧合物的基础与应用研
究
在液晶中寻找铁电性的努力长期没有获得
成功，因为大多数液晶结构对称性不够低，偶极
相互作用小于热能，或者形成了偶极子反平行
排列的二聚物，使有效偶极矩等于零.后来明确
了由手性分子组成的倾斜的层状C
相 (SC'
相)
液晶可具有铁电性，并通过制备、结构和相
变的研究，明确了它属于胺正规铁电体，在居里
物理
点以上电容率符合居里外斯定律，由光散射观
测到软模，铁电液晶在电光显示和非线性光学
性能方面很有吸引力.
电光显示基于极化反转，
其响应速度较普通丝状相液晶快几个数量级、
在非线性光学方面，其二次谐波发生效率已不
低于常用的无机非线性光学晶体.
娜
聚合物的铁电性是 70
年代末才得到确证
的….虽然 PVDF
(聚偏氟乙烯)的热电性和压
电性早已发现，但它由晶态和非晶态组成且有
多种晶形，压电性和热电性都是经直流电场处
理后才出现的，人们难以确定其中的极化是由
电场注入的电荷被俘获造成的亚稳极化，还是
由晶体结构的非对称性决定的自发极化.这个
问题现已确定无疑地决了.现在人们不但确
证了 PVDF
的铁电性，而且发现了一些新的铁
电聚合物加奇数尼龙(尼龙
ll，尼龙 7 等)"〕.
聚合物种类繁多结构多样化，预期从中可发抽
出更多的铁电体，从而扩展铁电体物理学的研
究领域，并开发新的应用.
3.4
纂成铁电体的发展
铁电薄膜与半导体的集成称为集成铁电
体灬.以铁电存贮器等实际应用为目标,近年来
广泛开展了铁电薄膜及其与半导体集成的研
究.铁电存贮器的基本形式是铁电随机存取存
贮器(FRAM)
，其中铁电元件的 士Pr (Pr
为剩余极化)
状态分别代表二进制数字系统中
的“1”和“0”，所以是基于极化反转的一种应用.
早在 50 年代，人们就以
BaTi0s为主要对象迸
行过这方面的研究.当时由于三个原因未能实
现g一是块体材料要求反转电压太高I二是电滞
回线矩形度不好，使元件发生误写误读，三是疲
劳显著，经多次反转后有效极化减小. 80
年代
以来，由于铁电薄膜制造技术的进步和材料的
改进,铁电存贮器的研究重新活跃起来，并在
1988 年出现了实用的
FRAM.
铁电体的本质特征是具有自发极化且自发
极化可在电场作用下转向，因此狭义地说，只有
基于极化转向的应用才真正属于铁电性的应
用.多年以来，实现这种应用的只有透明铁电陶
瓷光开关等极个别器件,形成了铁电研究工作
25卷(1996年)第4期
ˉ
者很不愿接受的现实.现在看来，以铁电薄膜存
贮器为代表，这方面的重大应用有可能在铁电
薄膜上最终实现，这反过来又将对铁电研究以
新的推动和提出新的课题,其意义不可低估.铁
电薄膜在存贮器中的应用不限于
FRAM ，还
有铁电场效应晶体管 (FFET
) 和铁电动态随
机存取存贮器.除存贮器外，集成铁电体还可用
于红外探测与成像器件、超声与声表面波器件，
以及光电子器件等.正是在这些实际应用的推
动下，集成铁电体的研究成为铁电研究中最重
要的热点和前沿.
4
当前的研究方向
在铁电体物理学内，当前的研究方向主要
有两个g一是铁电体的低维特性，二是铁电体的
调制结构.
_
铁电体低维特性的研究首先是薄膜铁电元
件提出的课题.在薄膜中,尺寸和表面效应变得
不可忽略深入了表面效应稿要研究表面的
晶体结构、电子结构和偶极相互作用.薄膜中还
不可避免有界面效应，包括铁电膜与基底间的
界面、铁电膜与电极间的界面以及品粒间界.薄
膜厚度变化时，自发极化、相变温度、矫顽场和
电容率等都随之变化，需要探明其变化规律并
从微观机制上加以释，以指导材料和器件的
设计.伴随矗极化反转的疲劳的起因和改善方
法，这些问题更是实用和理论上的重要问题.
目
前，铁电薄膜理论的宏观方法主要是在自由能
中引人表面项,并用外推长度表示表面与体内
的差别问口.微观方法则在横场艾辛模型中引
入不同于体内的表面层鹰自旋作用系数和表面
层隧道贯穿频率m.
除薄膜外,铁电超微松也很有吸引力.实验
和理论表明，尺寸在亚微米以下时，尺寸效应就
逐步明显，在这种三维尺寸都有限的系统中，块
体材料中那种导致铁电相变的布里渊区中心光
学横模可能无法维持.长程库仑力显然将随尺
寸减小而减弱当它不能平衡短程恢复力时，铁
电有序即不能建立.随着尺寸减小，预期将先后
L. E. crola，
尸白汀松囊妇况过饥 ， 1量1(1994) .305.
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姚嬴，赢技术航材料纂览赠汉民主编为中国科学技术
出版社，(1093).552.
高压物理研究在地球科学中的应用“
熊，大和
(中国科学院地质研究所l北京
100020)
拍 一
高压物理是研究高压下物质状态、结构、特性及变化规律的学科.地球本身矗一个巨大
的高压实验室，其内部物质无不经受高压作用.应用高压物理研究的新成就来探讨地球内部物质的相变
和物性,是一项量要课题.该文从地球层口结构、地球内部物性分析人手,重点阐明高压物理与地球科学
的密切联系和发展交叉学科的重大意义.
关鳙测
高压物理，地球科学，地球层口结构,相变
Abs!roct High
pressure physicS investrfgates the state，st1'uc董ure，characteTistics
aod
changeS of
matte【 under high pressure. The Earth itseff iS a giant high pressufe
labo!atory，
Since an matter
in its interior iS undeT hfgh preBSure. T、his oTticle desotibes the appHcotfon
of
the lateSt
research reSults of high pressurd phySics to the study of phose tTansforInations
and
CharacteristicS
of materfafS in the Earth，8 ioterior based on anafySis of the Earth'S layer
struc-
ture and
phySica1 characteristicS of its inte黛io【.
The doSe
tefationship betWeen high p【essuTo physics and ea!th sciences is st!essed，
as
WeH as the
current significance of devefoping boTder一fine sdence.
Key
words
forTnation
自公元前 600一200
年科学家确认地球是
球形以来，经历过地心说和日心说阶段以后，在
漫长岁月里，人们竭力在探索宇宙和地球的真
实模型迄今洁翰的太空和深沉的大地仍旧吸
引着众多研究者的兴趣，
回顾地球科学的发展历程，由于物理学、化
学、数学、力学的应用，学科之间的交叉促使地
学迅速进入深层次的研究，采用地囊波探测、地
25 卷(1996 年)第 4
期
high pTessure
physics 4， eorth science ， eorth layer stfuctu!o, phase
t!ons-
`磁地电反澶等方法以后，地球内部结构及其形
成演化的历史才从大多数的腿测假说，迈入以
科学数据为基础建立各种模式的阶段，此外，天
体物理、天体化学的量新成就，也从另一侧面拓
宽了地学的研究领域.本世纪以来高压物理研
究成果逐步应用于地球科学，使原有模式逐渐
廿
1994年11月17日收到初糟凡995年4月24日收到修改粘，
0199'
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