实验29铁电性能测量实验讲义

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1、实验29铁电性能测量实验讲义铁电体电滞回线的测量铁电材料是一类具有自发极化，而且其自发极化矢量在外电场作用下可以翻转的电介质材料，它具有优异的铁电、压电、介电、热释电及电光性能，在非挥发性铁电存储器、压电驱动器、电容器、红外探测器和电光调制器等领域有重要的应用。铁电材料的主要特征是具有铁电性，即极化强度与外电场之间具有电滞回线的关系，如图1所示。电滞回线是铁电体的重要特征和重要判据之一，通过电滞回线的测量可以得到自发极化强度Ps、剩余极化强度Pr、矫顽场Ec等重要铁电图1铁电体的电滞回线参数，理解铁电畴极化翻转的动力学过程。【实验目的】1.了解铁电测试仪的工作原理

2、和使用方法。2.掌握电滞回线的测量及分析方法。3.理解铁屯材料物理特性及其产生机理。【实验仪器】本实验采用美国RadiantTechnology公司生产的RTPremierII型标准铁电测试仪，该仪器可以测量铁电材料的电滞回线、漏电流、疲劳、印痕、PUND(PositiveUpNegativeDown)等性能，而且配备了变温系统和热释电软件还可以测量热释电性能。【实验原理】铁电体的自发极化强度并非整个晶体为同一方向，而是包括各个不同方向的自发极化区域，其屮具有相同自发极化方向的小区域叫做铁电畴。电滞回线的产生是由于铁电晶体中存在铁电畴。铁电体未加电场时，由于自发极

3、化取向的任意性和热运动的影响，宏观上不呈现极化现象。当加上外电场大于铁电体的矫顽场时，沿电场方向的电畴由于新畴核的形成和畴壁的运动，体积迅速扩大，而逆电场方向的电畴体积则减小或消失，即逆电场方向的电畴转化为顺电场方向，因此表面电荷Q(极化强度P)和外电压v(电场强度E)之间构成电滞回线的关系。另外由于铁电体木身是一种电介质材料，两面涂上电极构成电容器之后还存在着电容效应和电阻效应，因此一个铁电试样的等效电路如图2所示。其中CF对应于电畴反转的等效电容，CD对应于线性感应极化的等效电容，RC对应于试样的漏电流和感应极化损耗相对应的等效电阻。如果在试样两端加上交变电图

4、2铁电测试等效电路图压，则试样两端的电荷Q将由三部分组成：(1)铁电效应：铁电体(Ferroelectric)的电畴翻转过程所提供的电荷QF，当E<Ec时，铁电畴不发生翻转，电荷QF不发生改变；当E>Ec时，铁电畴迅速翻转，电荷QF突变。当铁电畴全部反转之后，继续增大电场强度，电荷QF保持不变，所以理想铁电材料的电滞回线为一矩形，如图3(a)所示。3电荷QF、QD、QC与电压V的关系(2)电容效应：铁电体属于电介质(Dielectric)材料，上下表面涂上电极之后，相当于一电容器，在外电场作用下会发生感应极化，产生电荷QD。感应极化所提供的电荷QD和电

5、压V成正比，是一条过原点的直线，如图3(b)所示。(3)电阻效应：即电导(Conductive)和感应极化损耗所提供的电荷QC，QC是材料中电流与时间的积分，其中电流与电压V成正比。积分得到的电荷QC与电压V的关系为一椭圆，如图3(c)所示。因此试样两端的全电荷Q是由QF、QD、QC三部分叠加而成的，即Q和电压V的关系是图3(a)、3(b)、3(c)三部分的叠加，所以实际测量得到电滞回线如图1所示。由上述可见，只冇电荷QF与电压V的关系才真正反映了铁电体中的电畴翻转过程。实际测量得到的全电滞回线(图1)包含了与铁电畴极化翻转过程无关的QD和QC的影响。由图3可知，

6、电容效应QD使得QF的饱和支、上升支和下降支发生倾斜，但是从理论上来说对于QF和Vc的数值没有影响。而电阻效应提供的电荷QC则不同，QC使QF的饱和支畸变成一个环状端。对QF和Vc的数值都有影响，使测得的数值偏高，造成误差。当电容效应和电阻效应很大时，Q和V的关系将与QF和V的关系相差很大，以致掩盖了电畴翻转过程的特征，形成一个损耗椭圆，以致一些研宂者把一部分并无电畴过程的电介质也认为是铁电体。所以正确的获得电滞回线和铁电参数是准确表征铁电性能的前提。测量电滞回线的方法很多，其屮应用最广泛的是Sawyer-Tower方法，它是一种建立较早，己被大家广泛接受的非线性

7、器件的测量方法，0前仍然是大家用来判断测试结果是否可靠的一个对比标准。图4是改进的Sawyer-Tower方法的测试原理示意图，它将待测器件与一个标准感应电容串CO联，测量待测样品上的电压降(V2-V1)。其中标准电容CO的电容量远人于试样Cx，因此加到示波器x偏向屏上的电压和加在试样Cx上的电压非常接近;而加到示波管y偏向屏上的电压则与试样Cx两端的电荷成正比。因此可以得到铁电样品表面电荷随电压的变化关系，分别除以电极面积和样品厚度即可得到极化强度P与电场强度E之间的关系曲线。图4Sawyer-Tower电路木实验中的铁电性能测试采用美国RadiantTechn

8、ology