铁电材料参数的测量教程

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1、5.2 铁电材料参数的测量 铁电材料参数的测量 v1.相关概念（电偶极矩、铁电性） v2.电滞回线的测定 v3.电压波形的取得 v4.铁电材料参数的测定 v1.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 v电偶极矩 v电介质及

2、其极化 v极化强度 v铁电体与电滞回线 电偶极矩 v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。 v电偶极矩是一矢量，用表示，=ql v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。 v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Cm，在分子物理学中 常用D（德拜）作为单位，1D=3.33 10- 30Cm . 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

3、 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

4、电介质 非极性电介质 极性电介质 CH4 CH3Cl、CH2Cl2、 CHCl3 CCl4 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

5、容器中介电材料的极化 极化强度 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。 i，小体积元V 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V 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

6、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。 一步增加电场，只有 电子及离子的位移极化 效应，

7、PE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PE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

8、B至C段相似。 要是电场再返回正向，PE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 Cxs C Rx 铁电体 Qs Qi Qr 体现所提供的电荷 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，QU构成电滞 回线

9、 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 Uc v2. 电滞回线的测 定 电滞回线的测定 v示波法是最常用的方法。 v消除Qr和Qi的方法： v1.电阻补偿法 v2.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

10、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

11、/ 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 示波器Y轴上的电压 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Qi 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C，而可以得到试 样的等值电路图 与自

12、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 Uc v3. 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， 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

13、 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：0.01Hz10Hz； 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 v2. 铁电材料参数的测 定 铁电材料参数的确定 v1. 铁电材料参数的确定步骤 v2. 确定参数的基本原理 铁电材料参数的确定步骤 v1. 确定x轴的电压比例系数和y轴的电荷比例系数 v以x轴的电压比例系数为例； v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 ： v同样地，y轴的电荷比例系数为 v2.确定基本参数。 铁电材料参数的确定步骤 v1. 确定x轴的电压比例系数和y 轴的电荷比例系数。 v2.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