内容来源：《Light: Advanced Manufacturing》新媒体团队
撰稿 | 日月明（清华大学 博士生）
一项伟大的发明在诞生之初，人们可能没有意识到其重要性。正如100年前，1920年，一位名叫约瑟夫·瓦拉塞克（Joseph Valasek）的博士生原本进行地震测试仪研究，但意外在罗谢尔盐 (四水合酒石酸钾钠，KNaC4H4O6·4H2O) 中观察到铁电现象。而今，铁电体（ferroelectrics）（铁电体是指具有铁电性的材料）已经被应用于高能量密度电容器、夜视设备、超声波医疗设备、智能能源采集技术、驱动器和转换器等领域。为了向铁电发展100年致敬，美国德克萨斯大学圣安东尼奥分校杰出研究教授Amar S Bhalla撰写了题为“Ferroelectricity: 100 years on”的文章，发表在Physics world。
铁电体的发现
由于压电晶体在受到挤压时会产生电信号，瓦拉塞克（Valasek）想知道是否可以用压电晶体进行地震测试。他手头最容易获得的压电材料是一种单晶物质，它是由法国罗谢尔（La Rochelle）海港的药剂师皮埃尔·塞格涅特（Pierre Seignette）于1675年左右首次合成的。它是从葡萄酒中提取的，被称为罗谢尔盐（Rochelle salt）或塞格涅特盐（Seignette salt）。Valasek 将塞格涅特盐晶体放在电场中，当电场开启时，极化增强，P与E的关系图呈S形曲线；然而，当电场再次降低时，尽管遵循着相似的曲线，但极化总是比之前更高。换句话说，极化强度的精确值取决于电场是正在上升还是正在下降——它展现出了滞后效应。
图1. (左)铁电材料的发现者Joseph Valasek；然而，铁电的发展并不顺利。尽管Valasek从1921年到1927年间在《物理评论》(Physical Review)、《科学》(Science)发表多篇论文，但在整个20世纪20年代，大多数物理学家似乎对布拉格衍射和拉曼光谱等量子物理和其他基本现象更感兴趣，没有人试图为这一现象建立理论基础。另一方面，由于塞格涅特盐机械强度较低且易吸水潮解，铁电现象仅具有科学意义，铁电材料及其技术应用发展缓慢。铁电体的发展
直到1946年，后来获得诺贝尔奖的物理学家Vitaly L. Ginzburg撰写了一篇关于铁电的经典论文，铁电的研究才真正起步，尽管他还称其为“ 塞格涅特电性（Seignettoelectric）”效应，因为它最早是在塞格涅特盐中发现的。二战期间发现的另一种铁电材料:钛酸钡(BaTiO3) 促进了该领域的发展。钛酸钡不溶于水，在室温下化学性质稳定，具有良好的电气和机械性能，是制造高能量密度电容器的理想材料。直到二战后，研究人员才意识到钛酸钡是铁电性材料，其电性具有明显的滞后特性。20世纪50年代末，数百种不同的氧化物基铁电材料被发现、研究。1968年，日立中央研究实验室的Keitsiro Aizu等研究人员预测“铁弹性体”的存在。简单来讲，“铁弹性体”能够记忆它们最初的物理和几何形状，在某种条件下，能够恢复。到20世纪60年代末，物理学家知道了三种材料都表现出磁滞现象：铁电体、铁磁体和铁弹性体。它们的共同点是，相邻的晶畴具有“指向”相反方向的特殊属性。对铁电体而言，这一特殊属性是指电偶极，对铁磁体而言是磁性，对铁弹性体而言则是应变。但是，这一特殊属性可以被外场“改变”成指向同一个方向。实际上，金茨堡（Ginzburg）和未来的诺贝尔奖获得者列夫·兰道（Lev Landau）能够通过一个简单的现象学理论来解释这三种类型的行为。在20世纪70年代，第四类 “铁氧化物”被发现，被称为铁环向体。它们在环向磁场(电场和磁场的向量积)中存在滞后效应。即，它们在邻近区域有磁涡流，可以使其排成一列，例如锂钴磷酸盐 (LiCo(PO4)3)。铁电体的丰富
除了单一属性的铁电材料，研究人员还发现了可以结合多种铁属性的材料，既可以是单相，也可以是复合结构。它们被称为“多铁质”，包括“磁电”材料，其中的磁化强度可以由电场控制，极化可以由磁场控制(这是皮埃尔·居里早在1894年提出)。铁电体最有趣的是，这种材料既具有压电性 (在受力时发电)，又具有热释电性(在温度变化时发电)。这些独特的特性使得铁电材料被广泛应用。铁电体的应用及未来
这些独特的特性导致铁电在许多应用中使用，从高能量密度电容器和夜视仪到超声医疗设备，用于能量收集的智能技术以及执行器和转换器。您甚至会在防盗警报器，打火机以及心率和血压监测器中找到铁电体。
铁电材料的一大优点是它们具有很高的介电常数，可以被应用到储能领域，尤其是在高能量密度的电容器（例如紧凑型电池）中，铁电材料具有独特的优势。尽管铁电体表现为具有高电阻的绝缘体，但在发现新型零电阻材料中也发挥了关键作用。诺贝尔奖获得者，未来物理学家亚历克斯·穆勒（Alex Müller）于1980年代中期研究钙钛矿-属于铁电材料的一种，他通过调整组成但保持其基本结构，发现这些材料在约40 K温度下没有电阻，而其他材料在液氮温度下也具有相似的行为。因此，铁电材料未来有望应用在高温超导领域。
铁电材料具有较高的“热电系数”，可以分辨小至0.01 K的温度差，可以被用于制作夜视摄像机。因为不同的物体的温度不一样，夜视摄像机的基本原理是通过响应温度变化而“看见”物体。热释电材料是响应温度变化的良好材料，其主要原理是热释电材料在温度变化时可以释放电荷，产生电压差。铁电材料在“热释电效应”中表现较为优异，例如硫酸三甘氨酸。例如，来自人体的红外辐射可以聚焦在铁电材料阵列上，铁电材料阵列吸收光并将其转换为电压用于创建与人的温度曲线相对应的图像。这种夜视摄像机还用于医学，安全和夜视。动物学家甚至使用夜视仪观察他们以前认为已经灭绝的动物，包括新几内亚的野狗。
铁电材料还被广泛用于医学超声和水下声学。所有铁电材料都是压电材料，这意味着当物体施加压力时，它们会产生电压。一方面，通过检测物体受到压力产生的电压创建图像，另一方面可以根据自身承受压力的物体反射回来的声波创建图像。因此，铁电技术已广泛用于医学上，以对未出生的婴儿进行成像，以检查其在子宫内的生长和发育情况。此外，铁电技术已广泛用于水下声学，例如水听器：水听器收集从水下物体（如鱼群）反弹的声波。铁电体也已用于绘制海底地形图，例如在2014年，铁电体被用于定位消失的马来西亚航空MH370航班。
图5. (左1) 银河M100冲洗图像，(中，右) 铁电材料改进后的成像与压电效应对应的是逆压电效应，即当压电材料处于电场中，该材料将沿一个或多个方向产生微小形变，形变方向由材料晶体结构决定。因此，铁电材料广泛用于执行器和转换器。例如，铁电体（如钛酸锆铅）用于原子力显微镜和扫描隧道显微镜中以检测材料中的单个原子，盖德·宾尼格和海因里希·罗勒为此获得了1986年诺贝尔物理学奖。在压电显微镜和磁力显微镜中也可以找到类似的材料。此外，另一种铁电体-铌酸镁铅/钛酸铅-是1991年NASA用来校正哈勃太空望远镜镜面缺陷的装置的一部分，使得以前被冲洗掉的图像（例如银河M100的核心）更加清晰（在左上方和右上方进行比较）。
铁电材料还可以应用到能量采集领域。具有压电效应的铁电材料可以在输入推力的影响下发电。例如，某些材料（例如嵌入聚合物中的钛酸锆铅）可用于从汽车和卡车中收集能量。能量收集设备的另一个有希望的应用是在医学和生物学中，其中仅涉及很小的能量。依靠铁电材料收集能量，以驱动机械起搏器保持心脏跳动，不需要对患者进行手术更换电池。（6）其他应用
如今，铁电已经扩展到了生物学领域，例如：在氨基酸和猪的主动脉血管壁中发现铁电行为。铁电甚至可以用来制造可以复制许多人类“多功能感官系统”的传感器。其他有趣的进展包括奇特的材料，例如弛豫铁电体（relaxors）（介电响应取决于所施加电场的频率）和量子顺电体（quantum paraelectricity）（其中量子涨落抑制铁电有序的发生）。研究人员还开始研究二维铁电体（ 2D ferroelectrics），它可以被用于研制对研究人体特别有用的新型纳米尺度的设备和传感器。如，皮肤、头发、指甲和许多其他生物组织在暴露于电场时表现为压电材料和铁电材料，通过压电反馈力显微镜采集为人类生物机能提供定量数据。即使是基础物理学也无法抵挡铁电体的“魅力”，研究人员最近首次观察到铁电材料中的奇异拓扑缺陷激，称为电极化斯格明子晶格（polar skyrmions）。铁电材料体系不断蓬勃发展，铁电材料的应用日益拓展。百年铁电，风华正茂。开 放 投 稿：Light:Advanced Manufacturing
ISSN 2689-9620
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