铁电薄膜铁电性能表征

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1、实验10.2铁电薄膜的铁电性能表征摘要铁电现象第一次发现是在1920年，由瓦拉赛尔发现外场可以使罗西盐的极化方向反转，但是铁电现象直到40年代初才得以被广泛研究。如今铁电现象因为其独特性质得到了广泛的应用，而本实验就是为了初步探究本现象的物理性质。本实验测量了铁电材料的电滞回线，并且改变电压测量了不同电压下的图像和矫顽力等数值。作者又进一步对此现象进行了初步探究，研究了其相关机理。关键词：近代物理实验，铁电材料，电滞回线一、实验目的：一、对铁电体，电滞回线有初步了解二、学会电滞回线测量原理和方法。三、了解铁薄膜材料的功能和应用前景。二、实验仪器TD-88A型铁电性能

2、综合测试系统配件清单：序号名称规格型号数量备注1台式微机12专用高速采集控制卡13铁电性能综合测试仪TD-88A型14专用软件TD-88A15专用测试平台16专用三维微米级测试架27专用测试探针28专用测试电缆12连接样品用9专用测试电缆22连接匹配电容用10专用通讯电缆2连接测试仪和微机铁电性能综合测试仪硬件结构铁电薄膜材料的测量仪主要包括可编程信号源、微电流放大器、积分器、放大倍数可编程放大器、模/数转换器、数/模转换器、微机接口部分、微机和应用软件等部分组成。系统框图见图12-2-3，硬件系统由一台计算机、一片带A/D、D/A及开关量控制输出功能的计算机接口卡

3、和信号调理电路部分组成。图12-2-3铁电性能测量仪结构框图测量电路目前，测量电滞回线的方法较多。其中测试方法简单、应用最广泛的是Sawyer-Tower电路[2][3]，如图12-2-4所示，其中虚框部分为铁电薄膜样品的等效电路，Cxi为线性感应等效电容，Rx为铁电薄膜样品的漏电导及损耗等效电阻，Cxs为与自发极化反转对应的非线性等效电容。在理想情况下，若只考虑Cxs的作用（认为Cxi与Rx开路），很容易证明Uy与铁电薄膜样品的极化强度P成正比[2]。但一般情况下，铁电薄膜样品同时具有漏电导和线性感应电容，如果要获得铁电薄膜样品的本征电滞回线，必须在测量过程中对样

4、品的漏电导和线性感应电容进行合适的补偿，但这在实际测量中是较难处理的。另外，此电路中外接积分电容Co的选取和精度会影响测试的精确度，当然给铁电薄膜样品提供的信号源U的频率对测试结果也有很大的影响，这样就较难对测试结果进行标定和校准。图12-2-4Sawyer-Tower电路（虚框中为铁电薄膜样品等效电路）图12-2-5电滞回线测量电路（虚框中为铁电薄膜样品等效电路）我们选用如图12-2-5所示的测量电路，此电路由信号源U、被测样品、电流放大器和积分器组成。信号源U提供给被测样品的电流经电流放大器放大再经积分器积分后得到Uy进入测量系统。即使被测样品端加的电压U为零，

5、积分器上仍然维持电压，被测样品端是虚地的，因此此测试电路可称为虚地模式。此电路取消了外接电容Co，可减小寄生元件的影响。此电路的测试精度仅取决于积分器积分电容C1的精度，减少了对测试的影响环节，比较容易定标和校准，并且能实现较高的测量准确度。三、实验原理1．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

6、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。图12.2-1铁电体的电滞回线图12.2-2电滞回线的显示电滞回线

7、可以用图12.22-2的装置显示出来（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(12.2-1)式中为图中电源V的角频率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，为平行平板间距离，代入（12.2-1）式得：(12