图1。1 压电单晶压电原理图：（a）受到外拉应力，正负电荷中心不重合，产生剩余电荷；（b）无外应力时，正负电荷中心重合，为电中性；（c）受外压应力，正负电荷中心不重合，产生剩余电荷。

具体解释一个压电单晶材料的压电效应原理：在外部拉应力或者压应力的作用下，晶体会发生伸长或者缩短的形变，晶体内部正负离子的电荷中心由原来的重合状态变为不重合状态，产生的电偶极矩导致晶体中的不同晶面上电中性被破坏。从而使其在一些特定的方向上的晶体表面出现剩余电荷。

图1。2 压电陶瓷正压电效应、负压电效应原理图：（a）正压电效应-外力作用下，压电材料的两个电极产生电荷；（b）负压电效应-在外加电场作用下，压电材料产生形变。

对于压电陶瓷材料而言，其压电效应机理完全不同于压电单晶。由于陶瓷材料内部电畴的方向不集中，在未经极化处理之前，压电陶瓷材料是不能产生压电效应的。经极化处理后，压电陶瓷中电畴结构排列有序，压电陶瓷的剩余极化强度会使与极化方向垂直的两端出现束缚电荷（一端为正，另一端为负）。这些束缚电荷因为静电作用在陶瓷的两个表面附近吸附一层来自外界的自由电荷，从而使整个压电陶瓷片对外呈电中性。此时，若受到外压力的作用，压电陶瓷片会产生形变。当外压力的方向与极化方向垂直时，陶瓷片内束缚电荷层的间距变小，两端束缚电荷的影响增强，而使表面的自由电荷过剩，就出现放电现象。当一个拉力作用于压电陶瓷时，将出现充电现象。反之，若对压电陶瓷施加一个电场则会产生一个相反的过程，也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能[6]。

1。3  锆钛酸铅简介

锆钛酸铅（Pb(ZrxTi1-x)O3, (PZT)）薄膜属于钙钛矿型化合物。其具有较高介电常数、压电系数、热释电和铁电性能。PZT材料的物相受成分影响很大，并随Zr/Ti的组分改变而改变。对于PZT薄膜来讲，其性能与薄膜中晶粒取向有巨大关系，例如：晶粒取向为(100)的薄膜的介电常数较高，而晶粒取向为(111)的薄膜的剩余极化强度较高[7]。由于锆钛酸铅具有较大的耦合系数，较大的压电系数，较高的居里点，还能通过改变具体组成成分或掺杂的方式，调整性能参数以用于不同的器件等优点。锆钛酸铅系材料受到研究人员的巨大关注和电子器件领域越来越广泛的应用，并且在诸多应用中逐渐替代了原来的压电材料[8]。

1。3。1  锆钛酸铅的结构

锆钛酸铅可以看作是PbTiO3和PbZrO3以一定比例混合的一种二元系固溶体。因为Ti四价离子的半径为0。64Å，Zr四价离子的半径为0。77Å，两者相近，且两种元素属于同一族，化学性能相似，所以PbTiO3和PbZrO3可以以任何比例互溶，而形成连续固溶体。

图1。3钙钛矿晶胞结构                      图1。4正氧八面体及其对称性 

钙钛矿结构的物质的晶胞如图1。3所示，图中每个点代表一个原子。较大的Pb离子占据八个顶角的位置，较小的(Zr，Ti)离子占据体心位置，O离子所占据着六个面心位置。如图1。4所示，这些氧离子形成氧八面体，(Zr，Ti)离子则处于其中心。可把整个晶体看做是由氧八面体共顶点连接而形成，Pb离子占据着各氧八面体之间的空隙。由此可以看出，PZT的自发极化主要来源于(Zr，Ti)离子偏离八面体中心的运动。自发极化的方向沿着(Zr，Ti)离子偏离中心的位移方向[9]。

1。3。2  锆钛酸铅的相图