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1、铁电薄膜铁电性能表征 实验目的一了解什么是铁电体，什么是电滞回线及其测量原理和方法。 二了解铁薄膜材料的功能和应用前景。 实验原理铁电体的特点 a)电滞回线 铁电体的极化随外电场的变化而变化，但电场较强时，极化与电场之间呈非线 性 关系。在电场作用下新畴成核长，畴壁移动，导致极化转向，在电场很弱时，极化 线性地依赖于电场 见图(12.2-1) ,此时可逆的畴壁移动成为不可逆的，极化随电场 的 增加比线性段快。当电场达到相应于 B 点值时，晶体成为单畴，极化趋于饱和。电 场进一步增强时，由于感应极化的增加，总极化仍然有所增大(BC)段 。如果趋于饱 和后电场减小，极化将循 CBD 段曲线减小，以
2、致当电场达到零时，晶体仍保留在宏 观极化状态，线段 OD 表示的极化称为剩余极化 Pr。将线段 CB 外推到与极化轴相交 于 E，则线段 OE 为饱和自发极化 Ps。如果电场反向，极化将随之降低并改变方向， 直到电场等于某一值时，极化又将趋于饱和。这一过程如曲线 DFG 所示，OF 所代表 的电场是使极化等于零的电场，称为矫顽场 Ec。电场在正负饱和度之间循环一周时， 极化与电场的关系如曲线 CBDFGHC 所示此曲线称为电滞回线。电场EoABCEDFHG极化P图 12.2-1 铁电体的电滞回线示 波 器CxCyV图 12.2-2 电滞回线的显示 电滞回线可以用图 12.22-2 的装置显示出
3、来（这就是著名的 Sawyer-Tower 电 路） ，以电晶体作介质的电容 Cx上的电压 V 是加在示波器的水平电极板上，与 Cx 串联一个恒定电容 Cy(即普通电容)，Cy上的电压 Vy加在示波器的垂直电极板上， 很容易证明 Vy与铁电体的极化强度 P 成正比，因而示波器显示的图象，纵坐标反 映 P 的变化，而横坐标 Vx与加在铁电体上外电场强成正比，因而就可直接观测到 P-E 的电滞回线。下面证明 Vy和 P 的正比关系，因yxxyxy CCCCVV 11(12.2-1)式中为图中电源 V 的角频率dSCx0为铁电体的介电常数, 为真空的介电常数,S 为平板电容 的面积，0xC为 平行平
4、板间距离，代入（12.2-1）式得：d(12.2-2)ECS dV CSVCCVyxyx Yx y00根据电磁学 (12.2-3)EEEP000) 1(对于铁电体1，固有后一近似等式，代入（12.2-2）式 ，PCSVyy因与都是常数，故与成正比。 SyCVyPb)居里点 Tc 当温度高于某一临界温度 Tc 时,晶体的铁电性消失。这一温度称为铁电体的 居里点。由于铁电体的消失或出现总是伴随着晶格结构的转变，所以是个相变过 程，已发现铁电体存在两种相变：一级相变伴随着潜热的产生，二级相变呈现比 热的突变，而无潜热发生，又铁电相中自发极化总是和电致形变联系在一起，所 以铁电相的晶格结构的对称性要比
5、非铁电相为低。如果晶体具有两个或多个铁电 相时，最高的一个相变温度称为居里点，其它则称为转变温度。 c)居里-外斯定律 由于极化的非线性，铁电体的介电常数不是常数，而是依赖于外加电场的，一般 以 OA 曲线（图 12.2-1）在原点的斜率代表介电常数，即在测量介电常数 时，所 加外电场很小，铁电体在转变温度附近时，介电常数具有很大的数值，数量级达 104-105。当温度高于居里点时，介电常数随温度变化的关系（12.2-CTTC05） 实验过程1.打开“铁电高压”软件，初始化，将测试点间隔调至“1000” ，然后再打开两个 测试仪的电源，以保证开机时的随机信号不会损伤两测试仪。 2.在铁电薄膜上
6、加 700-1000V 高压，每 50V 测量一次铁电薄膜的电滞回线，每一 特定电压下得到饱和自发极化 Ps、剩余极化 Pr 和矫顽场 Ec 各一对（分正负） ，研究这 三个量随外加高压的变化情况，以此研究铁电薄膜的铁电性能的表征。 数据分析：图 4.1-4.7 为实验测得的电滞回线（包含为求得饱和自发极化 Ps 的拟合直线）图 4.1 700V 的电滞回线图 4.2 750V 的电滞回线图 4.3 800V 的电滞回线图 4.4 850V 的电滞回线图 4.5 900V 的电滞回线图 4.6 950V 的电滞回线图 4.7 1000V 的电滞回线 实验测得的数据如下： V (V)+Ps (c
7、/cm2)+Pr (c/cm2)-Pr (c/cm2)|Pr| (c/cm2)+Vc (V)-Vc (V)|Vc| (V) 70057.21054.031-52.66753.349453.127-454.954454.041 75058.54055.200-53.64154.421458.012-461.334459.673 80059.73056.369-54.74555.557476.750-471.355474.053 85061.92057.538-56.04456.791471.901-477.576474.739 90059.44058.967-55.20057.084474.62
8、2-486.040480.331 95058.91058.837-55.46057.149479.162-497.695488.429 100058.29058.317-54.77856.548482.200-506.375494.288 表 1 电压对饱和自发极化 Ps、剩余极化 Pr 和矫顽场 Ec 的影响分别对+PsV 关系、|Pr|V 关系、|Vc|V 关系作图，并给予分析（1）+PsV 关系图 1 +PsV 关系图 从图中可以看出，Ps 随电压变化先增大再减小，在 850V 处出现了极值。 700V 到 850V 呈现单调上升的原因是极化电压越高，铁电体内的电偶极矩越倾向 于沿外场方
9、向排列，总极化越趋向于饱和，纵坐标 P 越大。 850V 到 1000V 呈现单调下降的原因可能是由于铁电体已经达到饱和极化，再增 加电压反而会导致内部极化不稳定而出现下降（2）|Pr|V 关系|Pr |随着极化电压的变化与 PsV 的变化关系是类似的，机理也是类似的，其随着电 压的增大关系可解释为：极化电压越高，铁电体内的电偶极矩越倾向于沿外场方向排列， 总极化越趋向于饱和，在 850V 附近出现饱和，当到达饱和状态后趋于稳定。 图 2 |Pr|V 关系图（3）|Vc|V 关系 从图中可以看出 Vc 和 V 呈线性正相关的关系（除了 800V 点处误差较大） ，原因 是所加的极化电场越大，铁
10、电体的极化程度越大，所需消除极化的矫顽场就越大。 而且由之前的数据可以看出正负矫顽场基本都相等，说明仪器的精确度较高。图 3 |Vc|V 关系图 思考题1.试比较铁电体与铁磁体的同异。 相同之处： 1）电滞回线与磁滞回线相对应，电畴与磁畴有很大类似性。都可以用来做记忆材料。 2）顺电-铁电相变对应顺磁-铁磁相变，它们都有居里温度的概念，并在顺电（顺磁） 的情况下满足居里-外斯定理. 不同之处： 1）铁电畴壁的厚度很薄。大约是几个晶格常数的量级，但铁磁畴壁则很厚，可达到几 百个晶格常数的量级（例如对 Fe，磁畴壁厚约 1000a ） ，而且在磁畴壁中自发磁化方 向可逐步改变方向，而铁电体则不可能
11、。 2）铁电体在外电场作用下，自发极化的方向也只能在某几个方向中变化。但是铁磁体 在足够强的外磁场作用下能够完全转到外场方向，而不论外场相对于晶轴的角度如何2.什么是铁电体？试举例说明你所知道的应用。答：铁电体的特征是必须具有自发极化，并且自发极化可以跟随外场反向。铁电体 的重要参数就是：电滞回线、居里温度、介电反常、并且满足居里-外斯定律。 铁电体有压电效应：在缺少对称中心的晶态物质中，由电极化强度产生与电场强 度成线性关系的机械变形和反之由机械变形产生电极化强度的效应。由此可以制造对 压力敏感的传感器。3.铁电薄膜为什么能用作数据存储器，其优点何在?答：铁电记忆存储器是利用铁电体具有的电滞回线的性质：若原来加的正场，当外 场变为零的时候，铁电体上为正的剩余极化（+） ，若是从负场变到零，则剩余极化为 负（-） 。因而可以进行编码，正为 1，负为 0。铁电存储器尺寸小、抗辐射、存取速度 快且功耗低。铁电薄膜属于存储材料的一种，由于其翻转电压只有几伏，有很好的市场应用价 值。4.铁电薄膜表征中，主要用哪些参数? 答：有剩余极化r、饱和自发极化s、矫顽场 Ec 和居里温度 Tc 等物理量。
