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內容簡介

　　本書係統介紹瞭鐵電器件與鐵電材料的理論背景以及實用性的材料與器件設計、驅動與控製技術及其典型應用。全書共分11章。第1-2章介紹瞭鐵電材料的晶體結構、鐵電起源和鐵電唯象理論；第3章介紹瞭鐵電陶瓷材料的一般製備工藝與器件設計方法；第4~6章分彆介紹瞭高介電陶瓷電容、鐵電儲存器和熱釋電器件。
　　作為本書的重點，第7章介紹瞭壓電陶瓷與壓電聚閤物材料、新的壓電晶體材料以及典型的壓電器件，包括壓電傳感器、換能器和壓電緻動器等。第8-10章介紹瞭鐵電電光器件、熱阻器件和新的多鐵性磁電器件。最後一章介紹瞭鐵電器件的應用、市場以及鐵電器件的未來發展。
　　本書各章均穿插有例題、常見問題解答和實驗演示，各章末均附有該章要點迴顧、測驗題和習題。
　　本書是在第1版基礎上根據最近十餘年鐵電器件領域的新研究和發展修訂而成，全書大部分章節都做瞭更新，並新增瞭無鉛壓電陶瓷、鐵電性尺寸效應、電卡器件、微質量傳感器、壓電能量迴收、光閥和掃描儀、多鐵器件（包括磁電傳感器）等章節，力求在內容取捨方麵做到經典與前沿的結閤。
　　本書可作為材料、電子、通信、精密機械以及應用物理等專業高年級本科生、研究生的教學參考書，也可供從事壓電、鐵電器件研究以及相關領域研究的科研工作者參考。

作者簡介

　　內野研二（Kenji Uchino）先生是國際著名鐵電器件專傢，壓電緻動器的先驅者之一。他是美國賓夕法尼亞州立大學國際緻動器換能器中心（ICAT）創始主任以及電子工程係教授，也是賓夕法尼亞州立大學微機電公司的創始人和高級副總裁兼首席技術專傢。
　　1976年在日本東京工業大學獲得博士學位以後，內野先生在該校物理電子係做研究助理／助理教授。隨後他於1985年加入日本上智大學並成為物理學副教授。之後他於1991年到美國賓夕法尼亞州立大學任教。1986-1988年他在日本國傢空間開發署（NASDA）的航天飛機利用委員會任職，1992-1994年間任美國NF電子儀器公司副總經理。1987-2014年，他任日本技術開發協會中的智能緻動器／傳感器委員會的創始主席，該協會隸屬於日本原通商産業省。他還曾擔任美國海軍研究辦公室副主任，於2010-2014年在環球東京辦公室任IPA。從1997年起，內野先生長期擔任在德國不萊梅國際展覽中心舉辦的新緻動器國際會議的主席。他同時還是《先進性能材料學報》（Journal of Advanced Performance Materials），《智能材料係統與結構學報》（Journal of Intelligent Materials Systems and Structures）和《日本應用物理學報》（Japanese Journal of Applied Physics）的副主編。1998-2000年，他還擔任美國電氣與電子工程師協會超聲、鐵電與頻率控製委員會（IEEEUItrasonics，Ferroelectrics，and Frequency Control）的管理委員會成員。2002-2003年，他擔任美國陶瓷學會（The American Ceramic Society，ACerS）秘書長。
　　內野先生的研究興趣主要在固體物理——特彆是鐵電和壓電方嚮，包括理論、材料和器件製造工藝的基礎研究，同時也還包括精準定位的固體緻動器／傳感器、微機器人、超聲馬達、智能結構、壓電換能器和能量迴收器件。他作為以下領域的發現者或創造者被人們所熟知：（1）PMN基電緻伸縮材料；（2）共燒多層壓電緻動器（MLA）；（3）高性能的壓電單晶PZNPT；（4）光緻伸縮現象；（5）形狀記憶陶瓷；（6）磁電復閤傳感器；（7）壓電緻動器的瞬態響應控製（脈衝驅動技術）；（8）微型超聲馬達；（9）多層盤狀壓電換能器；（10）壓電損耗錶徵方法。以上這些領域也是他正在研究的課題，近年來主要集中在最後三個領域。他已經在陶瓷緻動器領域發錶瞭510篇論文，齣版瞭68本書，申請瞭31項專利。其中有37篇文章／書的引用超過瞭100次。他的平均H因子達到59，總引用次數20100，平均每年引用次數為437，這些數據在工程學院來說是相當高的。
　　內野先生1997年當選美國陶瓷學會會士（ACerS Fellow），2012年當選美國電氣與電子工程師協會會士（IEEEFellow）。截至2016年底，他獲得瞭28個奬項，包括世界陶瓷科學院（World Academy of Ceramics）頒發的國際陶瓷學奬，IEEEUFFC頒發的鐵電學成就奬（2013），弗吉尼亞理工學院能量迴收材料和係統中心的發明人奬（2011），賓夕法尼亞州立大學工程學校友會研究奬（2011），日本應用電磁學與力學學會傑齣學術著作奬（2008），美國國防部高級研究計劃局（DARPA）SPIE智能産品貢獻奬（2007），R&D;雜誌R&D100;奬（2007），美國機械工程師協會（ASME）自適應結構奬（2005），賓州工程學會傑齣研究奬（1996），尼桑汽車科學基金學術奬（1990），日本燃油／空氣壓力控製學會論文奬（1987）等。
　　內野先生在2008年還獲得聖弗朗西斯大學（St.Francis University）的工商管理碩士（MBA）學位，並為商學院教學編寫瞭名為《工程師的企業傢精神》的教材。1989年，他作為幾部有關鐵電疇的動態觀測和陶瓷緻動器的教育影片的導演和製片人，獲得瞭日本科學電影節電影紀念奬。他也是世界大學網絡的創始人之一，自2001年起該項目促使瞭英國和美國的多所大學的聯係和交流。
　　
　　董蜀湘，清華大學博士，北京大學教授、博士生導師，美國弗吉尼亞理工大學兼職教授，曾任美國賓夕法尼亞州立大學、弗吉尼亞理工大學研究助理、研究科學傢，新加坡國立大學訪問學者。
　　
　　李美亞，北京大學博士，武漢大學教授、博士生導師，美國阿貢國傢實驗室博士後研究員，英國謝菲爾德大學、新加坡國立大學訪問學者。

內頁插圖

目錄

作者簡介
中文版序（姚熹院士）
譯者序
前言
預備知識測試（附答案）
課時建議
符號列錶

第1章 鐵電材料概論
1．1 晶體結構和鐵電性
1．2 自發極化的起源
1．3 場緻應變的起源
1．4 電光效應
1．5 鐵電體示例
1．5．1 鈦酸鋇
1．5．2 鋯鈦酸鉛（PZT）
1．5．3 聚偏二氟乙烯（PVDF）
1．5．4 無鉛壓電陶瓷
1．6 鐵電材料的應用
本章要點
本章測驗題
本章習題
參考文獻

第2章 鐵電體的數學處理
2．1 物理性質的張量錶示
2．1．1 張量基礎
2．1．2 張量錶示法
2．1．3 晶體對稱性和張量形式
2．1．4 張量的約簡（矩陣符號）
2．1．5 電緻伸縮係數的矩陣符號
2．2 鐵電體的唯象理論
2．2．1 唯象理論基礎
2．2．2 朗道相變理論
2．2．3 電緻伸縮的唯象理論
2．2．4 逆電緻伸縮效應
2．2．5 電緻伸縮的溫度依賴性
2．3 反鐵電性的唯象理論
2．3．1 反鐵電體
2．3．2 反鐵電體的唯象理論
2．4 鐵電疇的貢獻
2．4．1 鐵電疇的轉嚮
2．4．2 內田一池田（Uchida-Ikeda）模型
2．4．3 晶體結構與矯頑電場
2．4．4 滯後估算程序
2．4．5 電疇工程
本章要點
本章測驗題
本章習題
參考文獻

第3章 材料與器件的設計及製備工藝
3．1 材料設計
3．1．1 組分的選擇
3．1．2 鐵電性的摻雜效應
3．1．2．1 疇壁穩定性
3．1．2．2 結晶缺陷
3．1．3 大功率特性
3．2 陶瓷的製備工藝
3．2．1 陶瓷粉體的製備
3．2．1．1 固相反應法
3．2．1．2 共沉澱法
3．2．1．3 醇鹽水解法
3．2．2 燒結工藝
3．2．3 單晶的生長
3．2．3．1 石英、鈮酸鋰和鉭酸鋰
3．2．3．2 PZN-PT，PMN-PT和PZT
3．2．4 模闆晶粒生長
3．3 器件設計
3．3．1 單圓片
3．3．2 多層結構
3．3．3 壓電單晶片／壓電雙晶片
3．3．4 彎張／柔性鉸鏈杠杆放大機製
3．3．5 柔性復閤材料
3．3．6 薄膜／厚膜
3．3．6．1 膜的製備技術
3．3．6．2 微機電係統的應用
3．3．6．3 薄膜／厚膜中的限製
3．4 鐵電性尺寸效應
3．4．1 鐵電性晶粒尺寸效應
3．4．2 鐵電性三維晶粒尺寸效應
本章要點
本章測驗題
本章習題
參考文獻

第4章 高介電材料
4．1 陶瓷電容器
4．2 片狀電容器
4．2．1 薄多層電容器
4．2．2 賤金屬內電極
4．2．2．1 鈦酸鋇基電容片
4．2．2．2 鈦酸鉛基電容片
4．3 混閤基底
4．4 弛豫鐵電體
4．4．1 高介電常數
4．4．2 擴散相變
4．4．3 介電弛豫
本章要點
本章測驗題
本章習題
參考文獻

第5章 鐵電存儲器件
5．1 DRAM
5．1．1 DRAM的原理
5．1．2 鐵電DRAM
5．2 非易失性鐵電存儲
5．2．1 FeRAM（反轉電流型）
5．2．2 MFSFET
本章要點
本章測驗題
本章習題
參考文獻

第6章 熱釋電器件
6．1 熱釋電材料
6．1．1 熱釋電效應
6．1．2 響應率
6．1．3 品質因數
6．2 溫度／紅外輻射傳感器
6．3 紅外圖像傳感器
6．4 電卡器件
6．4．1 電卡效應
6．4．1．1 唯象方程
6．4．1．2 電卡材料
本章要點
本章測驗題
本章習題
參考文獻

第7章 壓電器件
7．1 壓電材料及其性質
7．1．1 壓電的重要參數
7．1．2 壓電材料
7．1．2．1 單晶
7．1．2．2 多晶材料
7．1．2．3 弛豫鐵電體
7．1．2．4 聚閤物
7．1．2．5 復閤材料
7．1．2．6 薄膜
7．2 壓力傳感器／加速計／陀螺儀
7．3 壓電振子／超聲換能器
7．3．1 壓電諧振
7．3．1．1 壓電方程
7．3．1．2 機電耦閤係數
7．3．1．3 縱嚮振動模式
7．3．2 壓電振子的等效電路
7．3．3 壓電振子
7．3．4 超聲換能器
7．3．4．1 超聲成像
7．3．4．2 聲化學
7．3．5 諧振器／濾波器
7．4 錶麵聲波器件
7．5 微質量傳感器
7．5．1 生物傳感器
7．5．2 黏度傳感器
7．6 壓電變壓器
7．7 壓電緻動器
7．7．1 陶瓷緻動器材料
7．7．2 緻動器設計
7．7．3 驅動／控製技術
7．7．4 器件應用
7．7．4．1 伺服位移換能器
7．7．4．2 脈衝驅動馬達
7．8 超聲馬達
7．8．1 超聲馬達
7．8．2 超聲馬達的分類和原理
7．8．2．1 駐波型
7．8．2．2 行波型
7．8．3 駐波型馬達
7．8．3．1 鏇轉馬達
7．8．3．2 綫性馬達
7．8．4 行波型馬達
7．8．4．1 綫性馬達
7．8．4．2 鏇轉馬達
7．8．4．3 不同類型超聲馬達的對比
7．8．5 平滑衝擊驅動裝置
7．9 壓電能量迴收
7．9．1 用於能量迴收的壓電被動阻尼
7．9．2 高功率能量迴收（～W）
7．9．3 低功率能量迴收（～mW）
本章要點
本章測驗題
本章習題
參考文獻

第8章 電光器件
8．1 電光效應迴顧
8．2 透明電光陶瓷
8．2．1 （Pb，La）（Zr，T1）
8．2．2 PMN-PT
8．2．3 Pb（2n1／3Nb2/3）03
8．3 塊體電光器件
8．3．1 鐵電圖像存儲器
8．3．2 眼保護應用
8．3．3 立體電視應用
8．3．4 二維顯示器
8．3．4．1 二維顯示器的製造工藝
8．3．4．2 光閥陣列的性質
8．3．4．3 圖像投影儀的構造
8．3．5 KTN單晶光學開關
8．3．6 激光束掃描儀
8．4 波導調製器
8．4．1 LiNb03波導
8．4．2 PZT薄膜波導
本章要點
本章測驗題
本章習題
參考文獻

第9章 PTC材料
9．1 PTC現象的機製
9．1．1 PTC現象
9．1．2 PTC現象的機製
9．1．2．1 半導體性質
9．1．2．2 肖特基勢壘效應
9．1．2．3 實驗驗證
9．2 PTC熱敏電阻
9．3 晶界層電容器
本章要點
本章測驗題
本章習題
參考文獻

第10章 復閤材料
10．1 連通性
10．2 復閤效應
10．2．1 加和效應
10．2．2 結閤（除法）效應
10．2．3 乘積效應
10．3 PZT：聚閤物復閤材料
10．3．1 壓電復閤材料
10．3．2 PZT：聚閤物復閤材料的原理
10．3．3 0-3復閤材料的理論模型
10．3．4 先進PZT：聚閤物復閤材料
10．4 復閤材料阻尼器和能量迴收器
10．4．1 壓電復閤材料阻尼器
10．4．2 壓電復閤材料能量迴收器
10．5 磁電傳感器
本章要點
本章測驗題
本章習題
參考文獻

第11章 鐵電器件的未來
11．1 市場份額
11．1．1 鐵電器件的市場份額
11．1．2 壓電緻動器的市場份額
11．2 可靠性問題
11．2．1 材料的改進
11．2．2 器件的可靠性
11．2．3 驅動／控製技術
11．2．4 安全係統
11．3 暢銷器件的開發
11．3．1 三種創造力
11．3．2 技術創造力
11．3．2．1 新功能或新材料的發現
11．3．2．2 性能提升
11．3．3 産品規劃創造力
11．3．3．1 種子和需求
11．3．3．2 技術管理中的創新障礙
11．3．3．3 開發節奏
11．3．3．4 規格
11．3．3．5 産品設計哲學
11．3．3．6 智能係統
11．3．4 市場創造力
11．3．4．1 選擇目標客戶
11．3．4．2 聚焦
11．3．4．3 支配市場
11．3．5 商業戰略
11．3．5．1 分析工具
11．3．5．2 內部環境分析
11．3．5．3 外部環境分析
本章要點
本章測驗題
本章習題
參考文獻

索引

前言/序言

　　鐵電體是指一類具有自發電極化特性的材料（譯者加注）。鐵電體可用於各種器件，諸如高介電電容、熱釋電傳感器、壓電器件、電光器件和正溫度係數（PTC）熱阻器件等。一些相關企業正在不斷地大批量生産製造陶瓷電容、壓電點火器、蜂鳴器和PTC熱阻器等簡單元器件。但是直到現在，鐵電器件在許多其他功能應用方麵，仍然還未實現商業化。例如：在光傳感方麵，半導體材料在光響應速度和靈敏度方麵，要優於鐵電材料；磁器件和半導體“快閃”儲存器已經非常普及；而液晶已被普遍用於光學顯示。在一些具有競爭力的材料麵前，鐵電體常常陷入睏境。但是，近來新的鐵電器件正在不斷湧現和不斷實現商業化，因此我對鐵電器件的未來發展充滿信心。我相信鐵電器件早期遇到的睏境是由於缺乏對鐵電材料係統基礎知識的積纍，以及缺乏鐵電器件開發的經驗。
　　在過去35年關於鐵電器件的教學經曆中，除瞭一些多作者共同署名的論文集外，我感覺很難找到一本專注於鐵電器件領域的教科書。因此，我決定整理我給曆屆研究生上課的講稿，並收集瞭我在鐵電器件發展方麵的研究成果，撰寫瞭這本綜閤性教科書。這本書係統介紹瞭鐵電器件與鐵電材料的理論背景、實用性的材料與器件設計、驅動與控製技術、典型應用，以及展望鐵電器件的未來發展。雖然材料的鐵電性很久以前就被發現瞭，但鐵電器件發展相對較晚，而且涉及多學科，因此本書很難在有限的篇幅裏介紹所有新的研究進展。本書將在第1版的基礎上，引進鐵電器件的最新研究成果，介紹鐵電學的基本概念，學習和理解怎樣設計和開發鐵電器件。
　　本書章節構成如下：第1章做鐵電性的一般性介紹；第2章進一步闡述其理論背景；第3章介紹鐵電器件的實際設計和製造，包括最近開發的壓電晶體和薄膜製備過程；第4章詳細介紹電容應用；而第5～6章分彆介紹薄膜和厚膜應用，即鐵電存儲和熱釋電器件，在第6章的最後部分還介紹瞭電卡（電熱）器件；第7章介紹壓電緻動器、超聲馬達以及聲換能器和壓電傳感器，也介紹瞭壓電領域的新課題：壓力發電器（俘能器）；第8章介紹瞭鐵電光學器件，諸如光閥（光開關）、光顯示、波導、體光電器件；第9～10章介紹瞭PTC材料和復閤材料的基本概念，以及它們的器件應用；最後一章討論瞭鐵電器件的未來發展，包括市場規模、器件中存在的可靠性和壽命問題、作者關於開發最具競爭力器件的策略等。
　　自《鐵電器件》第1版齣版至今已有10年瞭。這本書不僅在商業上有幸獲得瞭成功，而且在鐵電領域也獲得認可而成為行業標準。新版本保留瞭鐵電學中一些基本原理，如麥剋斯韋方程、唯象理論、壓電關係等，而應用方麵則做瞭更新。
　　第2版反映瞭鐵電領域裏的最新研究成果，包括納米和光技術、環境規則、替代能源等，以及鐵電器件的發展趨勢。新的版本增加瞭無鉛壓電材料、鐵電的尺寸效應、電卡器件、微質量傳感器、壓電能量迴收器、光閥和掃描儀和多鐵器件，其中包括瞭磁電傳感器。‘
　　即使對於傳統的鐵電器件，諸如電容、壓電揚聲器、時鍾和變壓器等，從著眼於未來考慮，舊的數據也被更新。
　　新的版本更加完整，各章增加瞭該章要點、例題和習題以及以下幾點內容：
　　·常見問題——通常是迴答課堂提問。
　　·實驗演示——通過課堂實物演示而加深理解。
　　·測驗題——檢查學生在學習中的理解情況。
　　這些提問、演示和測驗題均是根據我多年教學講義、學生的意見和反饋所積纍獲得的。這新增加的三點內容將幫助讀者正確的理解本書的精髓。另外，根據年輕教師的強烈要求，本書所列齣的測驗題、習題已在另一本解答手冊中給齣瞭參考答案。我通常利用測驗題作為課堂測驗，例題作為課後作業，而各章習題作為期中和期末考試試題。我希望這樣安排可為教師準備課後習題與考試試題提供方便。
　　新版本已全部修正瞭老版本中所發現的所有數學公式錯誤、英語錯句或錯字。
　　本書可供電子材料、光材料、通信、精密機械與機器人等領域的研究生、高年級本科生，以及相關工業界的工程師使用。雖然這本書設計為30個75分鍾講座，讀者學習中可以自己再輔以例題與習題。
鐵電器件（第2版）/國外名校最新教材精選 [Ferroelectric Devices] 下載 mobi epub pdf txt 電子書

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