鐵電材料參數(shù)的測(cè)量

1、5.2 鐵電材料參數(shù)的測(cè)量鐵電材料參數(shù)的測(cè)量v1.相關(guān)概念（電偶極矩、鐵電性）v2.電滯回線的測(cè)定v3.電壓波形的取得v4.鐵電材料參數(shù)的測(cè)定v1.1.相關(guān)概念相關(guān)概念電滯回線鐵電體在實(shí)際中的應(yīng)用鐵電體有剩余極化強(qiáng)度，因而可用來作信息存儲(chǔ)、圖象顯示 已經(jīng)研制出一些透明鐵電陶瓷器件，如鐵電存儲(chǔ)和顯示器件、光閥，全息照相器件等。鐵電體的極化隨E而改變，因而晶體的折射率也將隨E而改變 。這種由于外電場(chǎng)引起晶體折射率的變化稱為電光效應(yīng)。 利用晶體的電光效應(yīng)可制作光調(diào)制器、晶體光閥、電光開關(guān)等光器件。目前應(yīng)用到激光技術(shù)中的晶體很多是鐵電晶體。幾個(gè)概念v電偶極矩v電介質(zhì)及其極化v極化強(qiáng)度v鐵電體與電滯回線

2、電偶極矩v電偶極矩：對(duì)于電介質(zhì)的分子，其正、負(fù)電荷中心的距離為l，矢徑l的方向規(guī)定為由負(fù)電荷指向正電荷，則電荷q與l的乘積定義為電偶極矩。v電偶極矩是一矢量，用表示，=qlv電偶極子：由等量正、負(fù)電荷中心不對(duì)稱分布形成電偶極矩的分子。v電偶極矩是表征電偶極子性質(zhì)的物理量，在SI單位制中的單位是Cm，在分子物理學(xué)中常用D（德拜）作為單位，1D=3.33 10-30Cm .非極性電介質(zhì)極性電介質(zhì)離子性電介質(zhì)在無外電場(chǎng)作用時(shí)，分子的正、負(fù)電荷中心相重合，故分子的電偶極矩等于零，這種分子成為非極性分子，這種電介質(zhì)成為非極性電介質(zhì)或無極性電介質(zhì)。在無外電場(chǎng)作用時(shí)，分子的正、負(fù)電荷中心不相重合，即分子具有

3、偶極矩，稱為分子的固有偶極矩，這種分子稱為偶極分子或極性分子，這種電介質(zhì)稱為極性電介質(zhì)。離子型電介質(zhì)通常由正、負(fù)離子組成，此時(shí)已沒有個(gè)別的分子，存在于介質(zhì)中的是離子。云母，石英。單原子分子，He, Ne, Ar,Kr相同原子組成的雙原子分子，H2, N2, Cl2對(duì)稱結(jié)構(gòu)的多原子分子，CO2, C6H6,CCl4烷系碳?xì)浠衔锓肿?，CnH2n+2非極性的烷系碳?xì)浠衔锓肿又械臍湓颖畸u族元素或OH、NH2、NO2基團(tuán)所替代；還有植物油、合成液體介質(zhì)、天然樹脂、合成樹脂、纖維、聚氯乙烯等電介質(zhì)電介質(zhì)非極性電介質(zhì)極性電介質(zhì)CH4CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3CCl4非極性電介質(zhì)極性電介質(zhì)電介

4、質(zhì)的極化在外電場(chǎng)的作用下，電介質(zhì)內(nèi)部沿電場(chǎng)方向出現(xiàn)宏觀偶極矩，在電介質(zhì)表面出現(xiàn)束縛電荷，這就是電介質(zhì)的極化。極性電介質(zhì)非極性電介質(zhì)無論哪一種電介質(zhì)，在外電場(chǎng)作用下，均會(huì)被極化。電介質(zhì)在電場(chǎng)下的基本特性。在外電場(chǎng)作用下，圍繞原子核的電子云相對(duì)原子核發(fā)生彈性位移而形成偶極矩。加上外電場(chǎng)時(shí)，1）分子正負(fù)電荷中心的相對(duì)彈性位移；2）每個(gè)分子受到電場(chǎng)力矩的作用，趨于轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向。電介質(zhì)的極化(a)真空平板電容器 (b)平板電容器中的束縛電荷 圖 平板電容器中介電材料的極化 極化強(qiáng)度VPi電介質(zhì)的極化強(qiáng)度定義為單位體積電介質(zhì)內(nèi)沿電場(chǎng)方向的電偶極矩的總合，即所謂極化強(qiáng)度矢量P來表示。0(1)rPE i，小

5、體積元V 內(nèi)沿電場(chǎng)方向感應(yīng)偶極矩之和。極化強(qiáng)度P，是介質(zhì)小體積元V 內(nèi)沿電場(chǎng)方向感應(yīng)偶極矩的平均值。所以P是一個(gè)宏觀物理量，它的大小與外加電場(chǎng)有關(guān)。對(duì)各向同性電介質(zhì)，各點(diǎn)極化強(qiáng)度P與宏觀電場(chǎng)強(qiáng)度E成正比。鐵電體一般電介質(zhì)自發(fā)極化鐵電體在外加電場(chǎng)下產(chǎn)生極化，去掉電場(chǎng)極化就消失的電介質(zhì)。對(duì)有些電介質(zhì)，即使沒有外加電場(chǎng)也能產(chǎn)生極化，這種極化稱為自發(fā)極化凡是在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化特性，而且其自發(fā)極化方向可以因外電場(chǎng)而反向的晶體介質(zhì)稱為鐵電晶體，簡(jiǎn)稱鐵電體。電滯回線對(duì)鐵電體施加較強(qiáng)的外電場(chǎng)時(shí)，鐵電體的極化強(qiáng)度、與外電場(chǎng)不成線形變化，而在一定的溫度范圍內(nèi)體現(xiàn)雙值函數(shù)，呈滯后回線的關(guān)系。此滯后回線稱為

6、電滯回線。鐵電疇通常，鐵電體自發(fā)極化的方向不相同，但在一個(gè)小區(qū)域內(nèi)，各晶胞的自發(fā)極化方向相同，這個(gè)小區(qū)域就稱為鐵電疇。兩疇之間的界壁稱為疇壁。90o疇壁180o疇壁電滯回線鐵電疇在外電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)的宏觀描述當(dāng)電場(chǎng)施加于晶體時(shí)，沿電場(chǎng)方向的電疇擴(kuò)展，變大；而與電場(chǎng)反平行方向的電疇則變小。這樣，極化強(qiáng)度隨外電場(chǎng)增加而增加。如圖中OA段曲線。進(jìn)一步增加電場(chǎng)，只有電子及離子的位移極化效應(yīng)，PE呈直線關(guān)系。如圖中B至C段B點(diǎn)相應(yīng)于晶體中全部電疇偶極矩沿電場(chǎng)方向排列，達(dá)到了飽和如果減小外電場(chǎng)，P值從C點(diǎn)下降，由于自發(fā)偶極矩大多在原電場(chǎng)方向，故PE曲線將沿CD緩慢下降當(dāng)E值降為零時(shí)，P值并不下降為零(D點(diǎn))

7、。大部分電疇仍停留在極化方向，因而宏觀上還有剩余極化強(qiáng)度。稱Pr為剩余極化強(qiáng)度。要把剩余極化去掉，必須再加反向電場(chǎng)，以達(dá)到晶體中沿電場(chǎng)方向和逆電場(chǎng)方向的電疇偶極矩相等，極化相消。使極化強(qiáng)度重新為零的電場(chǎng)Ec（F點(diǎn)）稱為矯頑電場(chǎng)。反向電場(chǎng)繼續(xù)增加，則所有電疇偶極矩將沿反向定向，達(dá)到飽和（圖中G點(diǎn)）反向電場(chǎng)繼續(xù)增加，曲線G至H段與B至C段相似。要是電場(chǎng)再返回正向，PE曲線便按HGIC返回，完成整個(gè)電滯回線。線性部分的延長(zhǎng)線與極化軸的截距Ps（圖中E點(diǎn)）表示電疇的自發(fā)極化強(qiáng)度，相當(dāng)于每個(gè)電疇的固有飽和極化強(qiáng)度。電滯回線的特征與構(gòu)成鐵電試樣的等值電路電疇反轉(zhuǎn)過程所導(dǎo)致的極化線性感應(yīng)極化感應(yīng)極化損耗和電

8、導(dǎo)損耗CxsCxiRx鐵電體QsQiQr體現(xiàn)所提供的電荷+ =sin()sin(33)sin(55)35sincossirmxsmmxixQQQQbcU CatttUU CttR電疇反轉(zhuǎn)過程所提供的電荷為Qs ，理想情況下是一矩形波感應(yīng)極化過程所提供的電荷為Qi ，它與電壓U成正比電導(dǎo)和感應(yīng)極化損耗所提供的電荷為Qr ，它與電壓的關(guān)系是一橢圓。全電荷Q由這三部分疊加而成，QU構(gòu)成電滯回線-1+ =sin()sin(33)sin(55)sincos35=sin()sin(33)sin(55)sin-35cos1=tgsirmmxsmxixmximxsxixQQQQUbcU CatttU CttR

9、U CbcU CattttC R其中，。感應(yīng)極化電荷Qi使得Qs 的飽和支、上升支和下降支發(fā)生傾斜電導(dǎo)和感應(yīng)極化損耗所提供的電荷Qr 使得Qs 的飽和支畸變成一個(gè)環(huán)狀端。Qs 與電壓U的關(guān)系才真正反映了電疇的反轉(zhuǎn)過程。與自發(fā)極化強(qiáng)度Ps0有關(guān)的參數(shù)Qs0與矯頑電場(chǎng)強(qiáng)度 Ec 有關(guān)的參數(shù) Ucsin()sin(33)sin(55)35sincosmxsmmxixbcQU CatttUU CttRv2.2. 電滯回線的測(cè)電滯回線的測(cè)定定電滯回線的測(cè)定v示波法是最常用的方法。v消除Qr和Qi的方法：v1.電阻補(bǔ)償法v2.線性補(bǔ)償法電滯回線的測(cè)定示波法（Sawyer-Tower 電路法）測(cè)量電滯回線的

10、原理圖加在示波器垂直偏向板上的電壓與鐵電體樣品上的電荷Q（或極化強(qiáng)度P）成正比加在示波器水平偏向板上的電壓與鐵電體樣品上的電壓（或電場(chǎng)強(qiáng)度E）成正比選擇合適的電容C0，當(dāng)電壓變化一個(gè)周期時(shí)，可在示波器上觀測(cè)到電滯回線。補(bǔ)償?shù)墓ぷ鳎ㄏ齉r和Qi）為了正確測(cè)定鐵電體的特征參數(shù)Qs0（或Ps0）及Uc（或Ec ）抵消Qr電滯回線的飽和支由環(huán)狀端變成一條斜直線。對(duì)于鐵電性質(zhì)不明顯或損耗很大的材料，如果需要利用電滯回線來判斷其極化結(jié)構(gòu)、分析電疇的反轉(zhuǎn)過程或精確測(cè)定Qs0和Uc等鐵電參數(shù)抵消Qr 和Qi電滯回線的飽和支變成一條平行于橫軸的水平線。電阻補(bǔ)償法線性補(bǔ)償法適于絕大多數(shù)小損耗或中等損耗的鐵電試樣

11、適于測(cè)量大損耗或鐵電性質(zhì)微弱的試樣電子材料與元器件測(cè)試技術(shù) / 周東祥,潘曉光編著/武漢 : 華中理工大學(xué)出版社, 1994加在示波器垂直偏向板上的電壓與鐵電體樣品上的電荷Q（或極化強(qiáng)度P）成正比加在示波器水平偏向板上的電壓與鐵電體樣品上的電壓（或極化強(qiáng)度E）成正比C0Cx電阻補(bǔ)償法電阻補(bǔ)償法0000-0001( )=+tttC RC RdQV V eedCd0+=dVVdQCdtRdt根據(jù)電流連續(xù)原理應(yīng)有t sin()sin(33)sin(55)35sin-cosmxsmxibcQU CatttU Ct 1133055110= cossin(+)cossin(33+)3cossin(55+)

12、+cossin- +5cosmxsmxiU CbVattCU CcttC -1-1-1135000000111=tg;=tg;=tg35C RC RC R其中， 為電導(dǎo)和感應(yīng)極化損耗所造成的滯后角示波器Y軸上的電壓1133055110= cossin(+)cossin(33+)3cossin(55+)+cossin-+5cosmxsmxiU CbVattCU CcttC10000=xixxixC RC RC RRC如使相角，即或0sinmxiU CtC+ =sin()sin(33)sin(55)35sincossirmxsmmxixQQQQbcU CatttUU CttR抵消抵消Qr電阻補(bǔ)償法

13、的效果圖電滯回線的頂端變成一條斜線線性補(bǔ)償法抵消Qr 和Qi0201020101010202=xiccxixccxCCCCCCCCCC RC RRRC或或線性補(bǔ)償法的效果圖電滯回線的頂端變成一條平行于橫軸的水平線鐵電試樣的等值電路對(duì)差動(dòng)電路要求較高，電路比較復(fù)雜，因此一般僅在要求較高的場(chǎng)合使用可以準(zhǔn)確地測(cè)得Qs0和Uc，以及Rx和Cxi，進(jìn)而可以得到試樣的等值電路圖與自發(fā)極化強(qiáng)度Ps0有關(guān)的參數(shù)Qs0與矯頑電場(chǎng)強(qiáng)度 Ec 有關(guān)的參數(shù) Uc0201020101010202=xiccxixccxCCCCCCCCCC RC RRRC或或v3.3. 電壓波的取得電壓波的取得電壓波的取得電壓波的取得測(cè)試

14、儀的輸出電壓可以達(dá)到 5000V，需要進(jìn)行分壓，然后才可以加到示波器的X軸在電滯回線的飽和支會(huì)出現(xiàn)一些曲折畸變的毛刺。通常認(rèn)為這些毛刺是由電路中的寄生振蕩引起。電路中的分布電容、漏電導(dǎo)，示波器的輸入阻抗及其X軸、Y軸的放大器等因素將引起相移。相移使得回線的波形發(fā)生畸變，進(jìn)而影響特征參數(shù)的提取。電路對(duì)比電阻分壓器（適于低頻、低壓測(cè)量）電容分壓器（適于高頻測(cè)量）標(biāo)準(zhǔn)無相移比較器并聯(lián)可變電阻構(gòu)成移相器將開關(guān)K打至1，調(diào)節(jié)X軸分壓器的移相程度，使示波器上呈現(xiàn)為一條直線。則由電路和放大器所引入的相移被補(bǔ)償?shù)?。將開關(guān)K打至2，即將試樣接入示波器Y軸，此時(shí)示波器就可以正確地顯示試樣兩端的電荷Q和電壓U的電滯回線。頻率范圍：0.01Hz10Hz；輸出電壓： 5000V；輸出波形：正弦波、三角波.電滯回線測(cè)量?jī)x測(cè)試儀器v2.2. 鐵電材料參數(shù)的測(cè)鐵電材料參數(shù)的測(cè)定定鐵電材料參數(shù)的確定v1. 鐵電材料參數(shù)的確定步驟v2. 確定參數(shù)的基本原理鐵電材料參數(shù)的確定步驟v1. 確定確定x軸的