铁电体的电滞回线

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1、图 1 电滞回线铁电体电滞回线及居里温度的测量自从 1921 年了 J.Valasek 发现罗息盐是铁电体以来，迄今为止陆续发现的新铁电材料已达一千种以上。铁电材料不仅在电子工业部门有广泛的应用，而且在计算机、激光、红外、徽波、自动控制和能源工程中都开辟了新的应用领域。电滞回线是铁电体的主要特征之一，电滞回线的测量是检验铁电体的一种主要手段。通过电滞回线的测量可以获得铁电体的一些重要参数。在居里温度处，铁电材料的许多物理性质将发生突变，因此居里温度的测量对研究铁电体的性质有重要的的意义。通过本实验可以了解铁电体的基本特性，掌握电滞回线及居里温度的一种测量方法。一、实验原理1. 电滞回线。我们知

2、道，全部晶体按其结构的对称性可以分成 32 类（点群） 。32 类中有 10 类在结构上存在着唯一的“极轴” ，即此类晶体的离子或分子在晶格结构的某个方向上正电荷的中心与负电荷的中心重合。所以，不需要外电场的作用，这些晶体中就已存在着固有的偶极矩 ，或称为存在着“自发极化” 。SP如果对具有自发极化的电介质施加一个足够大（如 kV/cm)的外电场，该晶体的自发极化方向可随外电场而反向，则称这类电介质为“铁电体” 。众所周知，铁磁体的磁化强度与磁场的变化有滞后现象，表现为磁滞回线。正如铁磁体一样铁电体的极化强度随外电场的变化亦有滞后现象，表现为“电滞回线” ，且与铁电体的磁滞回线十分相似。铁电体

3、其它方面的物理性质与铁磁体也有某种对应的关系。比如电畴对应于磁畴。激发极化方向一致的区域（一般 ）称为铁电畴，铁电畴之间的界面称为磁壁。两电畴反向平行排m108列的边界面称为 180磁壁，两电畴互相垂直的畴壁称为 90畴壁。在外电场的作用下，电畴取向态改变 180的称为反转，改变 90的称为 90旋转。晶体中每个电畴方向都相物的则称为单畴，若每个电畴的方向各不相同，则称为多畴。电滞回线是铁电体的主要特征之一，电滞回线的测量是检验铁电体的一种主要手段。通过电滞回线的测量可以获得铁电体的自发极化强度 ，剩场极化强度 ，矫顽场sPrP及铁电耗损等重要参数，如图 1 所示。该图是典型的电CE滞回线。当

4、外电场施加于晶体时，极化强度方向与电场方向平行的电畴变大，而与之反平行方向的电畴则变小。随着外电场的增加，极化强度 开始沿图 1 中 段变化，电场继续增大， 逐渐饱和，如POAP图中的 段所示，此时晶体已成为单畴。将 段外推至电场 时的 轴图中虚BBC0E线所示） ，此时在 轴上所得截距称为饱和极化强度 ， 是每个电畴原来已经存在的自PsP发极化强度。当电场由图中 处开始降低时，晶体的极化强度 随之减小，但不是按原来的C曲线降至零，而是沿着 曲线变化。当电场降至零时，其极化强度 称为剩BAOBRDrP余极化强度。剩余极化强度是对整个晶体而言的（电场强度为零后，晶体部分回复多畴状态，极化强度又被

5、抵消了一部分） 。当反向电场增加至 时，剩余极化强度全部消失，CE称为矫顽电场强度。当反向电场继续增加时，沿反向电场取向的电畴逐渐增多，直至CE整个晶体成为一个单一极化方向的电畴为止（即图 1 中 点） 。如此循环便成为一电滞回线。图 2 钛酸钡的电滞回线剩余极化强度 一般小于自发极化强度 。但如果晶体成为单畴，则 等于 。所rPSPrPS以，某一材料的 与 相差愈多，则该材料愈不易成为单畴。图 2 所示为钛酸钡单晶和S多晶（陶瓷）电滞回线的对比。由图可见，陶瓷体虽经过电场极化，仍不容易成为单畴，单晶体的 等于 。Sr（1）电滞回线的测定。测量铁电材料电滞回线的方法通常有两种：1. 冲击检流计

6、描点法；2. 示彼器示波图法。本书介绍第二种方法。图 3 Sawer-Tower 电路原理图示波器图示法又称 Sawer-Tower 电路法，图 3 便是 Sawer-Tower 电路原理图。图中为待测样品。 为大电容，与 串联。为了消除 和 之间的相位差，在电容 上xCxC1U2C并联了一个电阻 ，调整 的大小便可使 ， 的相位相同。因为 和 是串联的故R12x两个电容器上的电荷是一样多的， ，即Qcx,21(6.5.1)2 ,xADUC式中 为样品的有效电极面积， 为电位移。对于铁电陶瓷， ，故 ，从而AD1rDP与极化强度 成正比，即2UP(6.5.2).2P由于 ，故 ， （电源电压）

7、 ，所以Cx21U1(6.5.3),1EUx式中 为样品两端的电场强度。上式表明，从 上取出的电压 正比于样品的电场强度E2Rx。若将 ， 分别接到示波器的 Y，X 轴上，便可以在示波器上看到 P-E (或 D-E)曲yx线,即电滞回线。图 3 中的 叫补偿电组，用于校正因样品漏电导和感应极化耗损而产生的 和 之R 2U1间的相位差。这个相位差会给电滞回线带来畴变。补偿电阻的调整是容易的，但不容易准确。所以，此法不适宜弱电性和高损耗的样品。（2） ， 和 的测量。测出样品的电滞回线后，根据示波器上 Y 轴和 X 袖的比rPSCE例尺，便可以求出 ， 和 的数值。rY 轴（电量 ）比例尺的确定：

8、使示波器 X 轴输入短路，屏示高度为 (mm)，则纵QH轴比例尺为(6.5.4)C/m),(20HUmyy式中 为标准电容( )， 为电压有效值(V)， 为示波器上的高度 (mm)。0CFyX 轴（电压 )比例尺的确定：使示波器上 Y 轴输入短路，示波器宽度为 (mm)，若U L此时电源电压为 ，则 X 轴比例尺为(6.5.5)/m).(2VLUx的测量：从示波器读取与横轴（电压）的原点相应的纵轴（电量）的读数为rP（即图 1）中的 线段，纵轴比例尺为 ，样品的电极面积为(m)rYORC/m)(r，则剩余极化强度为c2A(6.5.6)./c(2AYPrr的测量：从示波图上得电滞回线中饱和段外推

9、至 时交于 点，测得所截线段SP 0ES（图 1 中线段 ） ，测得其长度为 格（即 )，设纵轴比例尺为 格。OSSOm)C/c(2则自发极化强度为. (6.5.7)mYPSs)C/c(2的测量：设测得样品厚度为 (mm)，巳知示波图的横轴（电压）的比例尺为CEt(V/mm)从示波器图上量得纵轴（电荷轴）为零时相应的横轴电压）的长度（图 1)中xm的 OE 线段为 (mm)，则矫顽力场强为SX(6.5.8)(V/).tXESxS2. 铁电体居里的温度测量。铁电压电陶瓷材料在某一温度范围内具有铁电特性，即具有激发极化和电滞回线的特性。当温度达到某一临界值时，这些材料会发生相变，由铁电相变为非铁电

10、相，自发极化随之消失，这一临界温度称为居里（点）温度或居里点，通常用 表示。在居里温度 处，铁压电材料的许多物理性质（如介电常数，热容量，热膨CTCT胀系数等）都将发生突变。在有些铁压电体中，在低于居里点温度时，还可以发生从一种铁电相转变为另一种铁电相的相变。如钛酸钡在 处（居里温度） ，由立方顺电120CT相变为四方铁电相，然后在 附近由四方相变为正交铁电相。在 处由正509交相变为三方铁电相。这些极化状态变化的温度称为转变温度。因此，只要测定这种突变点的温度就能定出铁压电体材料的居里点的温度。实脸表明，在温度高于居里温度时，介电常量和温度 的关系遵从居里-外斯定律：T(6.5.9).(1,

11、00cTc式中 为居里常量； 为特征温度，称为居里-外斯温度，它等于或者稍低于居里温度。c0T测量居里温度 的方法很多，有 Sawer-Tower 电路示波器观察电滞回线突变法、传输c线路法、扫描仪法、电容电桥法，直读式线性电容仪（自动记录）法、电畴观察法、热膨胀系数突变测量法，等等。本书仅介绍第一种方法。此种方法的原理是：当铁电压电材料的温度高于居里温度时，它的自发极化消失，电滞回线也就消失，测出刚刚消失时的这个温度便为居里温度 。测量方法如下：cT（1）使用图 3 的线路，将试样放在带有自动控温的烘箱或电炉内（材料的居里温度不高时用烘箱，居里温度高时用电炉） ，在居里点附近逐渐升温，根据样

12、品尺寸大小，在每个温度点保持 3 5 分钟，以保证试样体内外温度均匀，逐点试验直至示波器上电滞回线消失为止记下此时的温度 。AT（2）将加热器温度升高，使高于居里温度 ，然后逐渐降温，每个温度点保持 5 10cT分钟，直至示波器上又出现电滞回线，记下此时温度 。B（3）按下式算出试样居里温度(). 6.5.10)2Ac二、实验装置实验所需仪器设备及材料包括铁电体电滞回线实验仪、计算机、示波器、电炉、BaTiO3 样品、打印机等。三、实验内容1. 电滞回线的测量。（1）装上样品（BaTiO 3， 120） ，在室温下调出恰当的电滞回线。cT（2）用计算机描绘电滞回线(X 轴用电场强度 V/mm

13、定标，Y 轴用极化强度定标） ，并从回线上求出样品的自发极化强度 ，剩余极化强度 及矫顽场 。C/mSPrPcE（3）测量样品的厚度、面积，输入软件中，自动计算出样品的自发极化强度 ，剩S余极化强度 及矫顽场 。标准电容 为 11 。rPcE0CF*2. 实验设计训练。设计一个实验，用 Sewer-Tower 电路示波器观察电滞回线突变法测居里温度 。cT四、思考与讨论1. 什么是铁电体？铁电体的主要持征是什么？如何判断一种晶体是否是铁电体？2. 什么是铁电畴？什么是单畴？什么是多畴？3. 本实验中居里温度的测量根据什么原理？4. 为什么要用升温和降温曲线的 和 的平均值作为居里温度 ？TcT参考文献：1 谢希德，固体物理学（下册） ，上海，上海科技出版社， 1962.2 孙慷慷、张福学，压电学，北京，国防工业出版社，1984.3 李远、秦自楷、周至刚，压电与铁电材料的测量，北京，科学出版社，1984.4 郑裕芳，李仲荣，近代物理实验，广州，中山大学出版社，1989.