固體光學(xué)-晶體光學(xué)7 ppt課件

1、晶體性質(zhì)的丈量與研討方法晶體性質(zhì)的丈量與研討方法一一. 光學(xué)性質(zhì)丈量光學(xué)性質(zhì)丈量 1. 折射率折射率 2. 光學(xué)透過(guò)性光學(xué)透過(guò)性 3. 電光性能電光性能 4. 光折變性質(zhì)、光折變性質(zhì)、5.介電參數(shù)的介電參數(shù)的丈量丈量二二. 鐵電性質(zhì)電滯回線丈量鐵電性質(zhì)電滯回線丈量三三. 介電性質(zhì)介電性質(zhì)四四. 壓電性質(zhì)丈量壓電性質(zhì)丈量 1. 準(zhǔn)靜態(tài)法準(zhǔn)靜態(tài)法 2. 光學(xué)相關(guān)法光學(xué)相關(guān)法 3. 諧振反諧振反諧振法諧振法五五. 熱釋電性質(zhì)熱釋電性質(zhì)晶體性質(zhì)的丈量與研討方法晶體性質(zhì)的丈量與研討方法折射率折射率 (最小偏向角法最小偏向角法)光學(xué)性質(zhì)丈量光學(xué)性質(zhì)丈量此方法采用的設(shè)備為分光計(jì)。如右圖所示，AB和AC是透光

2、的光學(xué)外表，又稱折射面。三棱鏡的頂角a可采用反射法丈量。一束平行光入射于三棱鏡，經(jīng)過(guò)AB面和AC面反射的光線分別沿T3和T4方位射出，T3和T4方向的夾角記為q。由幾何學(xué)關(guān)系可知，a q /2(T4- T3)/2。 折射率折射率 (最小偏向角法最小偏向角法)光學(xué)性質(zhì)丈量光學(xué)性質(zhì)丈量一束單色平行光入射到棱鏡上，經(jīng)兩次折射后射出，入射光與出射光間的夾角d稱為偏向角。 轉(zhuǎn)動(dòng)三棱鏡，固定入射光，那么偏向角d發(fā)生變化。沿偏向角減小的方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)三棱鏡，使偏向角逐漸減小。當(dāng)轉(zhuǎn)到某個(gè)位置時(shí)，假設(shè)再繼續(xù)沿此方向轉(zhuǎn)動(dòng)，偏向角又將逐漸增大，此位置對(duì)應(yīng)的偏向角便是最小偏向角d min。棱鏡資料的折射率n與頂角a及最

3、小偏向角dmin的關(guān)系式折射率折射率 (最小偏向角法最小偏向角法)光學(xué)性質(zhì)丈量光學(xué)性質(zhì)丈量2sin2sinminminn 對(duì)于單軸晶體，切割棱鏡時(shí)使厚度沿著光軸方向。兩個(gè)不同主折射率的丈量，可經(jīng)過(guò)入射光的偏振方向來(lái)實(shí)現(xiàn)。入射光的偏振方向與光軸方向平行，那么測(cè)得的折射率為非尋常光的折射率ne；入射光的偏振方向與光軸方向垂直，那么測(cè)得的折射率為尋常光的折射率no。 橢圓偏振儀根據(jù)偏振光束在介面外表反射時(shí)出現(xiàn)的偏振態(tài)變化來(lái)研討資料光學(xué)性質(zhì)。橢偏儀對(duì)樣品要求不高，丈量薄膜和塊材樣品的折射率n，消光系數(shù)extinction coefficientk、厚度d主要指薄膜樣品等有關(guān)參數(shù)，具有較靈敏、精度較高、

4、運(yùn)用方便等優(yōu)點(diǎn)，而且是非破壞性丈量。 橢偏法丈量的根本思緒是：起偏器產(chǎn)生的線偏振光經(jīng)取向一定的1/4波片后成為橢圓偏振光，把它投射到待測(cè)樣品外表時(shí)，只需起偏器取適當(dāng)?shù)耐腹夥较颍粯悠吠獗矸瓷涑鰜?lái)的將是線偏振光。根據(jù)偏振光在反射前后的振幅和相位變化，便可以確定樣品外表的光學(xué)特性。折射率折射率 (橢圓偏振儀橢圓偏振儀)光學(xué)性質(zhì)丈量光學(xué)性質(zhì)丈量橢偏儀組成部分：(1)光源。大多項(xiàng)選擇用Xe或Hg-Xe燈，其強(qiáng)度從紫外(190 nm)到近紅外近似為常數(shù)；(2)偏振器。能將任何偏振態(tài)的光變成線偏振光。目前常用格蘭泰勒方解石偏振器；(3)1/4波片?？蓪⒕€偏振光變?yōu)闄E圓偏振光；(4)光束調(diào)制器。為方便探測(cè)，

5、用于光強(qiáng)調(diào)制；(5)探測(cè)器。主要有光電倍增管、硅光電池和InGaAs等。折射率折射率 (橢圓偏振儀橢圓偏振儀)光學(xué)性質(zhì)丈量光學(xué)性質(zhì)丈量法國(guó)Jobin-Yvon公司消費(fèi)的UVISEL/460型光譜橢偏儀 折射率折射率 (棱鏡耦合器棱鏡耦合器)光學(xué)性質(zhì)丈量光學(xué)性質(zhì)丈量棱鏡耦合器是基于全反射原理進(jìn)展任務(wù)的。如下圖，把樣品的一個(gè)拋光面緊貼在棱鏡面上。入射光進(jìn)入樣品時(shí)，以不同的入射角q延續(xù)掃描，丈量反射光線的強(qiáng)度。當(dāng)?shù)竭_(dá)全反射角qc時(shí)，入射光線在全反射和折射間發(fā)生轉(zhuǎn)化，此時(shí)，反射光線的強(qiáng)度發(fā)生猛烈變化。棱鏡的折射率np知，只需丈量出qc的值，根據(jù)n = npsin qc，就可以很容易地得到待測(cè)樣品的折射

6、率n的結(jié)果。折射率折射率 (棱鏡耦合器棱鏡耦合器)光學(xué)性質(zhì)丈量光學(xué)性質(zhì)丈量棱鏡耦合器可以提供TES偏振光，電場(chǎng)振動(dòng)方向垂直于入射平面和TMP偏振光，磁場(chǎng)振動(dòng)方向垂直于入射平面，電場(chǎng)振動(dòng)方向平行于入射平面兩種丈量方式，很容易表征光學(xué)性能的各向異性，即可以丈量樣品的雙折射。美國(guó)的Metricon公司消費(fèi)的2019型棱鏡耦合器折射率折射率 (丈量方法比較丈量方法比較)光學(xué)性質(zhì)丈量光學(xué)性質(zhì)丈量最小偏向角法 優(yōu)點(diǎn)：可丈量晶體雙折射即no和ne，丈量設(shè)備簡(jiǎn)單； 缺陷：棱鏡樣品加工費(fèi)事。橢圓偏振儀 優(yōu)點(diǎn)：波長(zhǎng)可從紫外到近紅外延續(xù)變化，丈量速度快； 缺陷：只能丈量單一折射率，適用于各向同性資料。棱鏡耦合器 優(yōu)

7、點(diǎn)：可丈量晶體雙折射，丈量速度快； 缺陷：光源只能采用激光，波長(zhǎng)有限。Sellmeier方程 222iiiiiDCBAnM. DiDomenico et al, J. Appl. Phys. 40(1) (1969) 720折射率折射率 (研討方法研討方法)光學(xué)性質(zhì)丈量光學(xué)性質(zhì)丈量此方程中的Ai、Bi、Ci、Di沒有物理意義。單項(xiàng) Sellmeier 關(guān)系2200220200211EEEESndS0為平均振子強(qiáng)度，l0為平均振子位置，Ed為色散能量，E0為單個(gè)陣子能量。 Wemple和Didomenico研討了大量氧八面體構(gòu)造的鐵電體，定義出折射率色散參量E0/S0，發(fā)現(xiàn)具有氧八面體的鐵電體折

8、射率色散參量值很相近，即E0/S0 =60.510-14eVm2。 光學(xué)性質(zhì)丈量光學(xué)性質(zhì)丈量紫外/可見/近紅外分光光度計(jì)(UV-Visible-NIR Spectrophotometer)光學(xué)透過(guò)性光學(xué)透過(guò)性(丈量設(shè)備丈量設(shè)備)如日本JASCO公司消費(fèi)的V-570型光度計(jì)，丈量波長(zhǎng)范圍為1902500nm如美國(guó)熱電Thermo Electron公司的Nexus 870型紅外光譜儀，丈量范圍為2.5 25 m。 傅立葉變換紅外光譜儀(FT-IR spectrophotometer) 光學(xué)性質(zhì)丈量光學(xué)性質(zhì)丈量光學(xué)透過(guò)性光學(xué)透過(guò)性(禁帶寬度禁帶寬度)吸收系數(shù)吸收系數(shù)與晶體禁帶寬度的關(guān)系為TRt1ln

9、1t為晶體厚度，T為透射率，R為反射率雙面拋光的晶體的反射率為 R=(n-1)2/(n2+1) ngEhhA)(式中A是常數(shù)，Eg表示允許躍遷的光學(xué)帶隙。n由吸收過(guò)程中電子躍遷方式?jīng)Q議。本征躍遷有直接躍遷和間接躍遷兩種方式，當(dāng)n = 1/2時(shí)，表示直接躍遷，n = 2時(shí)，表示間接躍遷。J. Tauc, Optical Properties of Solids, New York: Academic Press, 1966A. El-Korashy et al, Physica B 304 (2019) 437312)/1 (kklklEn起偏器信號(hào)發(fā)生器樣品示波器1/4波晶片透鏡檢偏器 激光功

10、率計(jì)4545激光器計(jì)算機(jī)透鏡在外加電場(chǎng)的作用下，晶體折射率發(fā)生變化的景象稱為電光效應(yīng)。對(duì)于單軸晶體，那么有光學(xué)性質(zhì)丈量光學(xué)性質(zhì)丈量有效電光系數(shù)有效電光系數(shù)(單軸晶體單軸晶體)l = 1, 2, 3, 4, 5, 6動(dòng)態(tài)(交流電壓)法丈量要比靜態(tài)(直流電壓)法準(zhǔn)確，因此丈量時(shí)選擇了一個(gè)交流電壓V=Vmsinwmt，它在晶體中產(chǎn)生的相位延遲為 光學(xué)性質(zhì)丈量光學(xué)性質(zhì)丈量有效電光系數(shù)有效電光系數(shù)(單軸晶體單軸晶體)tEmmsin)(整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的相位延遲為 2)0()(E0表示單晶的自然雙折射引起的相位差，實(shí)踐丈量時(shí)，可調(diào)理檢偏器方向角使2 0 。那么整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)光路透過(guò)率可表示為 2sin2sin2

11、0200ETTIIT系統(tǒng)中輸出光強(qiáng)變化由樣品電光效應(yīng)所引起的相位差G(E)決議。 (1)(2)(3)090180270360I =(I max- I min)/2I mI maxII minOutput light intensity IPhase retardation (degree)圖中給出了輸出光強(qiáng)隨相位延遲的變化關(guān)系 光學(xué)性質(zhì)丈量光學(xué)性質(zhì)丈量有效電光系數(shù)有效電光系數(shù)(單軸晶體單軸晶體)測(cè)試時(shí)要把任務(wù)點(diǎn)定在最大線性任務(wù)點(diǎn)處，也就是相位延遲為p/2的地方。測(cè)試光路中的1/4波片，可以起到這個(gè)作用。利用貝塞爾函數(shù)處置 (3)式，可知mmIII(4)在實(shí)踐丈量時(shí)，光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，丈量相應(yīng)

12、的電壓值表示出它的強(qiáng)弱。假設(shè)用S0表示光電探測(cè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化系數(shù)，那么有 光學(xué)性質(zhì)丈量光學(xué)性質(zhì)丈量有效電光系數(shù)有效電光系數(shù)(單軸晶體單軸晶體)mmISv0)(minmax0IISvpp和由式(4)(5)可知電光效應(yīng)引起的相位延遲為 ppmmvv2對(duì)于單軸晶體，根據(jù)電場(chǎng)下折射率橢球變化情況，可得知由電光效應(yīng)引起的相位延遲為cecedLVnEnLnL332122L為光波經(jīng)過(guò)晶體的長(zhǎng)度，E為電場(chǎng)強(qiáng)度，gc為有效電光系數(shù)， ，d為介質(zhì)電極間的厚度。(5)(6)(7)13333)/(eocnn光學(xué)性質(zhì)丈量光學(xué)性質(zhì)丈量有效電光系數(shù)有效電光系數(shù)(單軸晶體單軸晶體)可以得到所測(cè)樣品有效電光系數(shù) mmecVLnd3

13、由式(6)和(8)可得(8)ppmmecvvVLnd213(9)M. Aillerie et al, Appl. Phys. B 70 (2000) 317光學(xué)性質(zhì)丈量光學(xué)性質(zhì)丈量有效電光系數(shù)有效電光系數(shù)(各向同性晶體各向同性晶體)在各向同性晶體有效電光系數(shù)的丈量中，檢偏器的通光方向與起偏器相互垂直，其它元件配置不變。起偏器信號(hào)發(fā)生器樣品示波器1/4波晶片透鏡檢偏器 激光功率計(jì)4545激光器計(jì)算機(jī)透鏡光學(xué)性質(zhì)丈量光學(xué)性質(zhì)丈量有效電光系數(shù)有效電光系數(shù)(各向同性晶體各向同性晶體)對(duì)于各向同性的晶體，電場(chǎng)下晶體折射率橢球變化為nmmmijmnijEEgn31,2)/1 (i, j = 1, 2, 3

14、各向同性晶體的有效電光系數(shù)丈量方法與單軸晶體一樣，只是電光系數(shù)的表達(dá)式變?yōu)閜pmmmmvvVLndVLndgg212322321211二波耦合光路當(dāng)IRIS時(shí)，增益系數(shù)（無(wú)泵浦光）（有泵浦光）22ln1IILHe-Ne激光器分束器+C軸反射鏡反射鏡晶體I SI R2q快門可調(diào)衰減器功率計(jì)光學(xué)性質(zhì)丈量光學(xué)性質(zhì)丈量光折變性質(zhì)光折變性質(zhì)(測(cè)試光路測(cè)試光路)假設(shè)光柵曾經(jīng)建立，以再現(xiàn)光讀出光柵，那么衍射效率定義為)0(/ )(rsILIIr(L)和Is(0)分別是衍射光和讀出光的強(qiáng)度 當(dāng)?shù)裙鈴?qiáng)的R光和S光在晶體中寫入光柵后，關(guān)掉其中一束，寫入的光柵便會(huì)被擦除。在擦除過(guò)程中，擦除光與它的衍射光在晶體內(nèi)發(fā)生

15、干涉，從而寫入新光柵，新舊光柵之間的相互作用將影響擦除速率。 判別光激載流子類型的方法為，在上面的光路中，假設(shè)R光比S光擦除得慢，那么闡明能量由R光轉(zhuǎn)移到S光，能量轉(zhuǎn)移方向與晶體光軸方向一樣，這光陰激載流子以空穴為主；假設(shè)S光比R光擦除得慢，那么闡明能量由S光轉(zhuǎn)移到R光，能量轉(zhuǎn)移方向與晶體光軸方向相反，這光陰激載流子以電子為主。 光學(xué)性質(zhì)丈量光學(xué)性質(zhì)丈量光折變性質(zhì)光折變性質(zhì)(光激載流子光激載流子)D.L Staebler et al, J. Appl. Phys. 43(3) (1972) 1042寫入光柵的過(guò)程中，衍射再現(xiàn)的信號(hào)光強(qiáng)按照公式A(1-exp(-t/tr)進(jìn)展擬合；擦除過(guò)程中，那

16、么按照公式Bexp(-t/te)進(jìn)展擬合，這里的A和B為常量，tr和te分別是光柵寫入和擦除時(shí)間。 光學(xué)性質(zhì)丈量光學(xué)性質(zhì)丈量光折變性質(zhì)光折變性質(zhì)(呼應(yīng)時(shí)間呼應(yīng)時(shí)間)05101520250.00.30.60.91.2 Diffraction intensity (a.u.)Time (second)某晶體折射率光柵寫入和擦除過(guò)程中衍射光強(qiáng)度隨時(shí)間變化關(guān)系 C. Yang et al, Appl. Phys. Lett. 74(10) (2019) 5Asiq/1B2si2qcos2qi/cosqi 2 3208( )BeffnkTAkeq q00sin44effpeakBNkeBk Tq0000

17、001phddReIhcsss s晶體的增益系數(shù)G與晶體外光束夾角2q的關(guān)系光柵構(gòu)成速率1/t與總光強(qiáng)I0的關(guān)系光學(xué)性質(zhì)丈量光學(xué)性質(zhì)丈量光折變性質(zhì)光折變性質(zhì)(常用公式常用公式)cos2qi/cosqi值變化較小，通常小于8%，進(jìn)展實(shí)際擬合時(shí)可以忽略此項(xiàng)。為簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)分析，通常假定電子和空穴的競(jìng)爭(zhēng)因子x(K)與波矢K無(wú)關(guān)。 介電常數(shù)的丈量介電常數(shù)的丈量 在電場(chǎng)作用下，電位移矢量在電場(chǎng)作用下，電位移矢量D隨電場(chǎng)強(qiáng)度隨電場(chǎng)強(qiáng)度E的變化的變化關(guān)系為關(guān)系為Di=0ijEj，式中，式中ij稱為介電常數(shù)。影響稱為介電常數(shù)。影響介電常數(shù)的要素很多，如外電場(chǎng)的頻率、電場(chǎng)強(qiáng)度、介電常數(shù)的要素很多，如外電場(chǎng)的頻率、電

18、場(chǎng)強(qiáng)度、溫度等。在人們研討介電資料的介電性與上述各影溫度等。在人們研討介電資料的介電性與上述各影響要素關(guān)系的同時(shí)，開展了很多種丈量介電常數(shù)的響要素關(guān)系的同時(shí)，開展了很多種丈量介電常數(shù)的方法，以下圖給出了適用于不同頻率范圍的丈量方方法，以下圖給出了適用于不同頻率范圍的丈量方法。法。介電常數(shù)的丈量及其頻率范圍介電常數(shù)的丈量及其頻率范圍 對(duì)介電常數(shù)的丈量，普統(tǒng)統(tǒng)過(guò)丈量電介質(zhì)的電容對(duì)介電常數(shù)的丈量，普統(tǒng)統(tǒng)過(guò)丈量電介質(zhì)的電容量來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于足夠大的平行平板電介質(zhì)電容器，量來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于足夠大的平行平板電介質(zhì)電容器，其電容可表示為：其電容可表示為：式中式中0是真空介電常數(shù)，是真空介電常數(shù)，是垂直于極板方向上的

19、相是垂直于極板方向上的相對(duì)介電常數(shù)；對(duì)介電常數(shù)；A為電極面積；為電極面積；d為電極板間距，即電為電極板間距，即電介質(zhì)的厚度。介質(zhì)的厚度。在丈量在丈量C時(shí)，由于丈量引線相夾具存在一恒電容時(shí)，由于丈量引線相夾具存在一恒電容Co并與并與C相并聯(lián)，因此實(shí)踐測(cè)得的電容量相并聯(lián)，因此實(shí)踐測(cè)得的電容量C測(cè)應(yīng)為：測(cè)應(yīng)為：頻率較低時(shí)，丈量電容的任務(wù)可由電橋來(lái)完成。利頻率較低時(shí)，丈量電容的任務(wù)可由電橋來(lái)完成。利用不同構(gòu)造的電橋，可以覆蓋從用不同構(gòu)造的電橋，可以覆蓋從0.01Hz至至150MHz的頻率范圍。上式的適用頻率為的頻率范圍。上式的適用頻率為1kHz。當(dāng)頻率高于當(dāng)頻率高于10MHz時(shí)，用電橋法丈量介電常數(shù)的

20、精時(shí)，用電橋法丈量介電常數(shù)的精度較低，這是由于高頻會(huì)使雜散電容添加，因此在度較低，這是由于高頻會(huì)使雜散電容添加，因此在10MHz至至100MHz的范圍，通常運(yùn)用諧振法。的范圍，通常運(yùn)用諧振法。諧振法丈量電容量的原理如下圖，由規(guī)范電感諧振法丈量電容量的原理如下圖，由規(guī)范電感Ls和待測(cè)晶體電容和待測(cè)晶體電容C測(cè)組成振蕩回路與高頻傳號(hào)發(fā)生測(cè)組成振蕩回路與高頻傳號(hào)發(fā)生器相耦合，調(diào)理頻率使器相耦合，調(diào)理頻率使LC回路諧振，電壓表指示回路諧振，電壓表指示值為最大，被測(cè)電容為值為最大，被測(cè)電容為:晶體電光效應(yīng)的研討晶體電光效應(yīng)的研討引見與一次電光效應(yīng)有關(guān)的電光系數(shù)、半波電壓引見與一次電光效應(yīng)有關(guān)的電光系數(shù)、

21、半波電壓和消光比的測(cè)試方法。和消光比的測(cè)試方法。加電場(chǎng)以后，折射率橢球變?yōu)榧与妶?chǎng)以后，折射率橢球變?yōu)镵DP類晶體的電光系數(shù)與半波電壓的關(guān)系類晶體的電光系數(shù)與半波電壓的關(guān)系63的縱向效應(yīng)引起的位相差為：的縱向效應(yīng)引起的位相差為：補(bǔ)償?shù)魷囟鹊挠绊懷a(bǔ)償?shù)魷囟鹊挠绊懠僭O(shè)晶體處于自在形狀，由于反壓電效應(yīng)和電致伸假設(shè)晶體處于自在形狀，由于反壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)，外電場(chǎng)會(huì)引起晶體的應(yīng)變，所以，在這種縮效應(yīng)，外電場(chǎng)會(huì)引起晶體的應(yīng)變，所以，在這種情況下測(cè)得的電光系數(shù)曾經(jīng)包括了彈光效應(yīng)的影響，情況下測(cè)得的電光系數(shù)曾經(jīng)包括了彈光效應(yīng)的影響，稱為自在電光系數(shù)稱為自在電光系數(shù)(Tijk)，它與真電光系數(shù)，它與真電光系

22、數(shù)Sijk，(即應(yīng)變等于零時(shí)的電光系數(shù)即應(yīng)變等于零時(shí)的電光系數(shù))的關(guān)系為的關(guān)系為: 消光比是退偏度消光比是退偏度(當(dāng)線偏振光退化為橢圓偏振光時(shí)其當(dāng)線偏振光退化為橢圓偏振光時(shí)其長(zhǎng)、短軸之比稱為退偏度長(zhǎng)、短軸之比稱為退偏度)的倒數(shù)，它反映了晶體的的倒數(shù)，它反映了晶體的光學(xué)質(zhì)量。消光比定義為正交偏振干涉中晶體的最光學(xué)質(zhì)量。消光比定義為正交偏振干涉中晶體的最大透過(guò)光強(qiáng)與最小透過(guò)光強(qiáng)大透過(guò)光強(qiáng)與最小透過(guò)光強(qiáng)實(shí)踐丈量時(shí)，可不斷地改動(dòng)外加電壓，記錄光強(qiáng)相應(yīng)實(shí)踐丈量時(shí)，可不斷地改動(dòng)外加電壓，記錄光強(qiáng)相應(yīng)的變化，作出的變化，作出IV曲線。曲線的峰值處所對(duì)應(yīng)的電壓曲線。曲線的峰值處所對(duì)應(yīng)的電壓即為半波電壓即為半波

23、電壓Vn.一一. 光學(xué)性質(zhì)丈量光學(xué)性質(zhì)丈量 1. 折射率折射率 2. 光學(xué)透過(guò)性光學(xué)透過(guò)性 3. 電光性能電光性能 4. 光折變性質(zhì)、光折變性質(zhì)、5.介電參數(shù)的介電參數(shù)的丈量丈量二二. 鐵電性質(zhì)電滯回線丈量鐵電性質(zhì)電滯回線丈量三三. 介電性質(zhì)介電性質(zhì)四四. 壓電性質(zhì)丈量壓電性質(zhì)丈量 1. 準(zhǔn)靜態(tài)法準(zhǔn)靜態(tài)法 2. 光學(xué)相關(guān)法光學(xué)相關(guān)法 3. 諧振反諧振反諧振法諧振法五五. 熱釋電性質(zhì)熱釋電性質(zhì)鐵電性質(zhì)鐵電性質(zhì)鐵電性質(zhì)鐵電性質(zhì)電滯回線電滯回線(根本概念根本概念)在較強(qiáng)的交變電場(chǎng)作用下，鐵電體的極化強(qiáng)度P隨外電場(chǎng)E呈非線性變化，在一定溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)滯后景象。如下圖，這個(gè)P-E回線稱為電滯回線。 線段

24、OA代表的電場(chǎng)可使極化等于零，稱為矯頑場(chǎng)Ec (coercive field)。線段OB代表的極化稱為剩余極化Pr (remanent polarization) 。在圖中FD線段處，極化與電場(chǎng)成正比，將FD反向延伸，交極化軸于C，OC代表的極化稱為自發(fā)極化Pr (spontaneous polarization) 。 鐵電性質(zhì)鐵電性質(zhì)電滯回線電滯回線(丈量方法丈量方法)圖中為改良的Sawyer-Tower電路。其中規(guī)范電容C0遠(yuǎn)大于試樣電容Cx。晶體樣品電容Cx普通小于5nF，C0可選為10mF。壓敏電阻和穩(wěn)壓電阻可防止發(fā)生高壓擊穿景象。經(jīng)過(guò)TL061后的輸出電壓為C0兩端電壓的R1/R2倍

25、，經(jīng)過(guò)R1可調(diào)理電壓放大倍數(shù)。鐵電性質(zhì)鐵電性質(zhì)電滯回線電滯回線(丈量方法丈量方法)由于規(guī)范電容C0和試樣Cx串聯(lián)，二者瞬時(shí)電荷在任何時(shí)間總相等。假設(shè)規(guī)范電容器C0兩端的電壓為V1(t)，瞬時(shí)電荷為Q(t)；試樣的電極面積為A，瞬時(shí)電位移為D(t)，瞬時(shí)電極化強(qiáng)度為P(t)，那么有 0001)()()()(CtAPCtADCtQtV試樣上的瞬時(shí)電極化強(qiáng)度P(t)可表示為 ACtVtP01)()(測(cè)試過(guò)程中，只需測(cè)得電壓V1(t)，便可得知P(t)。 鐵電性質(zhì)鐵電性質(zhì)電滯回線電滯回線(丈量方法丈量方法)測(cè)試系統(tǒng)中所需外部設(shè)備：(1) 超低頻信號(hào)發(fā)生器?？僧a(chǎn)生0.11Hz的三角波信號(hào)。(2) 高壓放

26、大儀。可將信號(hào)發(fā)生器的電壓放大至數(shù)千伏，其放大倍數(shù)根據(jù)測(cè)試資料的矯頑場(chǎng)選擇，普通要求放大后的電壓為-2000V+2000V。(3) 信號(hào)采集設(shè)備。可選為示波器，也可經(jīng)AD數(shù)據(jù)采集卡后利用計(jì)算機(jī)采集。一一. 光學(xué)性質(zhì)丈量光學(xué)性質(zhì)丈量 1. 折射率折射率 2. 光學(xué)透過(guò)性光學(xué)透過(guò)性 3. 電光性能電光性能 4. 光折變性質(zhì)光折變性質(zhì)二二. 鐵電性質(zhì)電滯回線丈量鐵電性質(zhì)電滯回線丈量三三. 介電性質(zhì)介電性質(zhì)四四. 壓電性質(zhì)丈量壓電性質(zhì)丈量 1. 準(zhǔn)靜態(tài)法準(zhǔn)靜態(tài)法 2. 光學(xué)相關(guān)法光學(xué)相關(guān)法 3. 諧振反諧振反諧振法諧振法五五. 熱釋電性質(zhì)熱釋電性質(zhì)主要內(nèi)容主要內(nèi)容介電性質(zhì)介電性質(zhì)丈量設(shè)備丈量設(shè)備變溫掃

27、頻介電性能測(cè)試儀。左上為加熱爐，左下為溫控儀，右側(cè)為MODEL TH2816型寬頻LCR數(shù)字電橋阻抗丈量?jī)x(常州同惠電子)，測(cè)試 頻 率 范 圍 2 0 H z - 1 5 0 k H z 。Agilent 4285A型阻抗分析儀，頻率范圍為75kHz-30MHz，可以計(jì)算機(jī)控制掃頻，常用于測(cè)試壓電單晶各個(gè)方式壓電振子的諧振、反諧振頻率。介電性質(zhì)介電性質(zhì)研討方法研討方法 丈量介電常數(shù)時(shí)，通常是把樣品做成一個(gè)平板電容器，在低頻率(1kHz)下測(cè)其電容，可算出自在電容率eT；在高頻率(20MHz)下測(cè)其電容，算出夾持電容率eS。408012016005000100001500020000TmTot

28、Tro Dielectric constantTemperature(oC)某晶體的介電常數(shù)隨溫度變化曲線 經(jīng)過(guò)丈量介電常數(shù)隨溫度的變化關(guān)系，可以得知晶體的相變特性。通常介電常數(shù)最大峰對(duì)應(yīng)著鐵電順電相變，較低溫度的介電峰那么為鐵電鐵電相變。對(duì)于一階相變，升溫丈量與降溫丈量的介電峰不重合，二階相變那么重合。一一. 光學(xué)性質(zhì)丈量光學(xué)性質(zhì)丈量 1. 折射率折射率 2. 光學(xué)透過(guò)性光學(xué)透過(guò)性 3. 電光性能電光性能 4. 光折變性質(zhì)光折變性質(zhì)二二. 鐵電性質(zhì)電滯回線丈量鐵電性質(zhì)電滯回線丈量三三. 介電性質(zhì)介電性質(zhì)四四. 壓電性質(zhì)丈量壓電性質(zhì)丈量 1. 準(zhǔn)靜態(tài)法準(zhǔn)靜態(tài)法 2. 光學(xué)相關(guān)法光學(xué)相關(guān)法 3.

29、 諧振反諧振反諧振法諧振法五五. 熱釋電性質(zhì)熱釋電性質(zhì)壓電性質(zhì)丈量壓電性質(zhì)丈量壓電性質(zhì)丈量壓電性質(zhì)丈量準(zhǔn)靜態(tài)法準(zhǔn)靜態(tài)法中科院聲學(xué)所消費(fèi)的ZJ-3A型準(zhǔn)靜態(tài)壓電常數(shù)d33測(cè)試儀該儀器的優(yōu)點(diǎn)是可測(cè)出壓電系數(shù)的極性，由此可以判別晶體光軸的正負(fù)方向。丈量時(shí)可使光軸方向沿著施力方向，假設(shè)壓電系數(shù)為正，那么晶體光軸向上；假設(shè)為負(fù)，那么向下。壓電性質(zhì)丈量壓電性質(zhì)丈量光學(xué)相關(guān)法光學(xué)相關(guān)法晶體上的反射鏡每挪動(dòng)l/ 2 的間隔就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)光干涉的拍信號(hào)。因此根據(jù)光拍信號(hào)的個(gè)數(shù)就可以計(jì)算出壓電陶瓷片伸縮的間隔。壓電性質(zhì)丈量壓電性質(zhì)丈量光學(xué)相關(guān)法光學(xué)相關(guān)法tfVtVm02sin)(現(xiàn)設(shè)壓電陶瓷片上加有正弦鼓勵(lì)電壓為動(dòng)

30、鏡Mirror產(chǎn)生振動(dòng),其位移為tfAtfVdtXmm00332sin2sin)(式中d33為壓電系數(shù)，Am為振動(dòng)位移峰值。對(duì)于光拍信號(hào)，動(dòng)鏡在位移最小處速度最大，光拍最密；反之，在位移最大處速度最小，光拍最疏。可見，隨著時(shí)間的變化，光拍信號(hào)是一個(gè)具有一定周期性的變頻信號(hào)，其周期為原振動(dòng)信號(hào)周期的1/ 2 。壓電性質(zhì)丈量壓電性質(zhì)丈量光學(xué)相關(guān)法光學(xué)相關(guān)法對(duì)應(yīng)于振動(dòng)位移峰谷兩處，可在光拍信號(hào)的一個(gè)周期中讀出光拍個(gè)數(shù)N ,那么動(dòng)鏡的振動(dòng)位移峰值為4/NAm晶體的壓電系數(shù)d33 = Am/Vm按照右圖所示施加電壓，可得到晶體的壓電系數(shù)d13值，即tVlAdmm13江惠民，江群會(huì)，中國(guó)陶瓷江惠民，江群會(huì)

31、，中國(guó)陶瓷 38(5) (2019) 34miemidmigmih, mi15, 31,33彈性系數(shù)EijsDijsEijcDijc, ij11, 12, 13, 33, 55, 66介電常數(shù)和介電隔離率TmnSmnTmnSmn, mn11, 33 壓電系數(shù)四方相單晶沿共有11個(gè)獨(dú)立的資料參數(shù)，包括SmimiETe)(TmiEimmiESTDd)()(DimmiTEg)(壓電應(yīng)力系數(shù)壓電應(yīng)變系數(shù)壓電電壓系數(shù)壓電勁度系數(shù) DimmiSEh)(彈性剛度系數(shù)jiijSTc彈性順度系數(shù)jiijTSs介電隔離率mnmn1介電常數(shù)nmmnED上角標(biāo)E表示短路形狀上角標(biāo)D表示開路形狀上角標(biāo)T表示夾持形狀上角

32、標(biāo)S表示自在形狀壓電性質(zhì)丈量壓電性質(zhì)丈量諧振反諧振法諧振反諧振法利用阻抗譜的諧振與反諧振法丈量四方相單晶全套介電、壓電和彈性參數(shù)，圖中為所需的五種不同振動(dòng)方式的樣品切型。參考ANSI/IEEE STD. 176-1987, IEEE Standard on Piezoelectricity (IEEE, New York, 1987)壓電性質(zhì)丈量壓電性質(zhì)丈量諧振反諧振法諧振反諧振法壓電性質(zhì)丈量壓電性質(zhì)丈量諧振反諧振法諧振反諧振法序號(hào)振動(dòng)模式壓電振子振子典型尺寸(mm) (lwt)# 1橫向長(zhǎng)度伸縮k31 棒2040.5# 2厚度伸縮kt 片550.5# 3厚度切變k15 片10101# 4縱向長(zhǎng)度伸縮k33 棒1011# 5橫向長(zhǎng)度伸縮45o k31棒2040.5在一定的邊境條件下，經(jīng)過(guò)求解壓電方程，可得到晶體壓電參數(shù)與諧振、反諧振頻率的關(guān)