铁电材料参数的测量

§5.2铁电材料参数的测量铁电材料参数的测量1.相关概念（电偶极矩、铁电性）2.电滞回线的测定3.电压波形的取得4.铁电材料参数的测定1.相关概念电滞回线铁电体在实际中的应用铁电体有剩余极化强度，因而可用来作信息存储、图象显示已经研制出一些透明铁电陶瓷器件，如铁电存储和显示器件、光阀，全息照相器件等。铁电体的极化随E而改变，因而晶体的折射率也将随E而改变。这种由于外电场引起晶体折射率的变化称为电光效应。利用晶体的电光效应可制作光调制器、晶体光阀、电光开关等光器件。目前应用到激光技术中的晶体很多是铁电晶体。几个概念电偶极矩电介质及其极化极化强度铁电体与电滞回线电偶极矩电偶极矩：对于电介质的分子，其正、负电荷中心的距离为l，矢径l的方向规定为由负电荷指向正电荷，则电荷q与l的乘积定义为电偶极矩。电偶极矩是一矢量，用μ表示，μ=ql电偶极子：由等量正、负电荷中心不对称分布形成电偶极矩的分子。电偶极矩是表征电偶极子性质的物理量，在SI单位制中的单位是C•m，在分子物理学中常用D（德拜）作为单位，1D=3.33×10-30C•m.非极性电介质极性电介质离子性电介质在无外电场作用时，分子的正、负电荷中心相重合，故分子的电偶极矩等于零，这种分子成为非极性分子，这种电介质成为非极性电介质或无极性电介质。在无外电场作用时，分子的正、负电荷中心不相重合，即分子具有偶极矩，称为分子的固有偶极矩，这种分子称为偶极分子或极性分子，这种电介质称为极性电介质。离子型电介质通常由正、负离子组成，此时已没有个别的分子，存在于介质中的是离子。云母，石英。单原子分子，He,Ne,Ar,Kr相同原子组成的双原子分子，H2,N2,Cl2对称结构的多原子分子，CO2,C6H6,CCl4烷系碳氢化合物分子，CnH2n+2非极性的烷系碳氢化合物分子中的氢原子被卤族元素或OH、NH2、NO2基团所替代；还有植物油、合成液体介质、天然树脂、合成树脂、纤维、聚氯乙烯等电介质非极性电介质极性电介质CH4CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3CCl4非极性电介质极性电介质电介质的极化在外电场的作用下，电介质内部沿电场方向出现宏观偶极矩，在电介质表面出现束缚电荷，这就是电介质的极化。极性电介质非极性电介质无论哪一种电介质，在外电场作用下，均会被极化。电介质在电场下的基本特性。在外电场作用下，围绕原子核的电子云相对原子核发生弹性位移而形成偶极矩。加上外电场时，1）分子正负电荷中心的相对弹性位移；2）每个分子受到电场力矩的作用，趋于转向外电场方向。电介质的极化(a)真空平板电容器(b)平板电容器中的束缚电荷图平板电容器中介电材料的极化极化强度VPi电介质的极化强度定义为单位体积电介质内沿电场方向的电偶极矩的总合，即所谓极化强度矢量P来表示。0(1)rPE∑μi，小体积元ΔV内沿电场方向感应偶极矩之和。极化强度P，是介质小体积元ΔV内沿电场方向感应偶极矩的平均值。所以P是一个宏观物理量，它的大小与外加电场有关。对各向同性电介质，各点极化强度P与宏观电场强度E成正比。铁电体一般电介质自发极化铁电体在外加电场下产生极化，去掉电场极化就消失的电介质。对有些电介质，即使没有外加电场也能产生极化，这种极化称为自发极化凡是在一定温度范围内具有自发极化特性，而且其自发极化方向可以因外电场而反向的晶体介质称为铁电晶体，简称铁电体。电滞回线对铁电体施加较强的外电场时，铁电体的极化强度、与外电场不成线形变化，而在一定的温度范围内体现双值函数，呈滞后回线的关系。此滞后回线称为电滞回线。铁电畴通常，铁电体自发极化的方向不相同，但在一个小区域内，各晶胞的自发极化方向相同，这个小区域就称为铁电畴。两畴之间的界壁称为畴壁。90o畴壁180o畴壁电滞回线铁电畴在外电场作用下运动的宏观描述当电场施加于晶体时，沿电场方向的电畴扩展，变大；而与电场反平行方向的电畴则变小。这样，极化强度随外电场增加而增加。如图中OA段曲线。进一步增加电场，只有电子及离子的位移极化效应，P~E呈直线关系。如图中B至C段B点相应于晶体中全部电畴偶极矩沿电场方向排列，达到了饱和如果减小外电场，P值从C点下降，由于自发偶极矩大多在原电场方向，故P~E曲线将沿CD缓慢下降当E值降为零时，P值并不下降为零(D点)。大部分电畴仍停留在极化方向，因而宏观上还有剩余极化强度。称Pr为剩余极化强度。要把剩余极化去掉，必须再加反向电场，以达到晶体中沿电场方向和逆电场方向的电畴偶极矩相等，极化相消。使极化强度重新为零的电场Ec（F点）称为矫顽电场。反向电场继续增加，则所有电畴偶极矩将沿反向定向，达到饱和（图中G点）反向电场继续增加，曲线G至H段与B至C段相似。要是电场再返回正向，P~E曲线便按HGIC返回，完成整个电滞回线。线性部分的延长线与极化轴的截距Ps（图中E点）表示电畴的自发极化强度，相当于每个电畴的固有饱和极化强度。电滞回线的特征与构成铁电试样的等值电路电畴反转过程所导致的极化线性感应极化感应极化损耗和电导损耗CxsCxiRx铁电体QsQiQr体现所提供的电荷++=sin()sin(33)sin(55)35sincossirmxsmmxixQQQQbcUCatttUUCttR电畴反转过程所提供的电荷为Qs，理想情况下是一矩形波感应极化过程所提供的电荷为Qi，它与电压U成正比电导和感应极化损耗所提供的电荷为Qr，它与电压的关系是一椭圆。全电荷Q由这三部分叠加而成，Q~U构成电滞回线-1++=sin()sin(33)sin(55)sincos35=sin()sin(33)sin(55)sin-35cos1=tgsirmmxsmxixmximxsxixQQQQUbcUCatttUCttRUCbcUCattttCR其中，。感应极化电荷Qi使得Qs的饱和支、上升支和下降支发生倾斜电导和感应极化损耗所提供的电荷Qr使得Qs的饱和支畸变成一个环状端。Qs与电压U的关系才真正反映了电畴的反转过程。与自发极化强度Ps0有关的参数Qs0与矫顽电场强度Ec有关的参数Ucsin()sin(33)sin(55)35sincosmxsmmxixbcQUCatttUUCttR2.电滞回线的测定电滞回线的测定示波法是最常用的方法。消除Qr和Qi的方法：1.电阻补偿法2.线性补偿法电滞回线的测定示波法（Sawyer-Tower电路法）测量电滞回线的原理图加在示波器垂直偏向板上的电压与铁电体样品上的电荷Q（或极化强度P）成正比加在示波器水平偏向板上的电压与铁电体样品上的电压（或电场强度E）成正比选择合适的电容C0，当电压变化一个周期时，可在示波器上观测到电滞回线。补偿的工作（消除Qr和Qi）为了正确测定铁电体的特征参数Qs0（或Ps0）及Uc（或Ec）抵消Qr电滞回线的饱和支由环状端变成一条斜直线。对于铁电性质不明显或损耗很大的材料，如果需要利用电滞回线来判断其极化结构、分析电畴的反转过程或精确测定Qs0和Uc等铁电参数抵消Qr和Qi电滞回线的饱和支变成一条平行于横轴的水平线。电阻补偿法线性补偿法适于绝大多数小损耗或中等损耗的铁电试样适于测量大损耗或铁电性质微弱的试样电子材料与元器件测试技术/周东祥,潘晓光编著/武汉:华中理工大学出版社,1994加在示波器垂直偏向板上的电压与铁电体样品上的电荷Q（或极化强度P）成正比加在示波器水平偏向板上的电压与铁电体样品上的电压（或极化强度E）成正比C0Cx电阻补偿法电阻补偿法0000--0001()=+tttCRCRdQVVeedCd0+=dVVdQCdtRdt根据电流连续原理应有tsin()sin(33)sin(55)35sin-cosmxsmxibcQUCatttUCt1133055110=[cossin(+)cossin(33+)3cossin(55+)]+cossin-+5cosmxsmxiUCbVattCUCcttC-1-1-1135000000111=tg;=tg;=tg35CRCRCR其中，为电导和感应极化损耗所造成的滞后角示波器Y轴上的电压1133055110=[cossin(+)cossin(33+)3cossin(55+)]+cossin-+5cosmxsmxiUCbVattCUCcttC10000===xixxixCRCRCRRC如使相角，即或0sinmxiUCtC++=sin()sin(33)sin(55)35sincossirmxsmmxixQQQQbcUCatttUUCttR抵消Qr电阻补偿法的效果图电滞回线的顶端变成一条斜线线性补偿法抵消Qr和Qi0201020101010202====xiccxixccxCCCCCCCCCCRCRRRC或或线性补偿法的效果图电滞回线的顶端变成一条平行于横轴的水平线铁电试样的等值电路对差动电路要求较高，电路比较复杂，因此一般仅在要求较高的场合使用可以准确地测得Qs0和Uc，以及Rx和Cxi，进而可以得到试样的等值电路图与自发极化强度Ps0有关的参数Qs0与矫顽电场强度Ec有关的参数Uc0201020101010202====xiccxixccxCCCCCCCCCCRCRRRC或或3.电压波的取得电压波的取得高压相移毛刺电压波的取得高压相移毛刺测试仪的输出电压可以达到±5000V，需要进行分压，然后才可以加到示波器的X轴在电滞回线的饱和支会出现一些曲折畸变的毛刺。通常认为这些毛刺是由电路中的寄生振荡引起。电路中的分布电容、漏电导，示波器的输入阻抗及其X轴、Y轴的放大器等因素将引起相移。相移使得回线的波形发生畸变，进而影响特征参数的提取。电路对比电阻分压器（适于低频、低压测量）电容分压器（适于高频测量）高压相移毛刺高压相移毛刺标准无相移比较器并联可变电阻构成移相器高压相移毛刺将开关K打至1，调节X轴分压器的移相程度，使示波器上呈现为一条直线。则由电路和放大器所引入的相移被补偿掉。将开关K打至2，即将试样接入示波器Y轴，此时示波器就可以正确地显示试样两端的电荷Q和电压U的电滞回线。频率范围：0.01Hz~10Hz；输出电压：±5000V；输出波形：正弦波、三角波.电滞回线测量仪测试仪器2.铁电材料参数的测定铁电材料参数的确定1.铁电材料参数的确定步骤2.确定参数的基本原理铁电材料参数的确定步骤1.确定x轴的电压比例系数和y轴的电荷比例系数以x轴的电压比例系数为例；先把示波器y轴放大器输入短路，使电子束扩展成长度为L（cm）的水平线，这时x轴的电压比例系数为：同样地，y轴的电荷比例系数为2.确定基本参数。铁电材料参数的确定步骤1.确定x轴的电压比例系数和y轴的电荷比例系数。2.不再改变x轴、y轴放大器的放大倍数，测量电滞回线。确定基本参数。例如，自发极化强度确定参数的基本原理