电磁滞回线实验

铁电薄膜的铁电性能测量实验目的一、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、了解铁电薄膜电滞回线的形状及其产生原因。实验内容、方法主要通过计算机操作，调整测试铁电薄膜电滞回线极化电压等各参数，绘制电滞回线，并从回线上得出剩余极化强度强度Pr,自发极化强度Ps,以及矫顽电场Ec等参数。实验原理一、铁电体的特点1．电滞回线某些晶体在一定温度范围内具有自发极化,且自发极化的方向随外电场方向的反向而反向。晶体的这种性质称为铁电性,具有铁电性的晶体成为铁电体,铁电体的重要特性之一是具有电滞回线。电滞回线的存在是判定晶体为铁电体的重要依据，并且通过电滞回线的测量，可以测定铁电体的剩余极化强度Pr,自发极化强度Ps,以及矫顽场Ec等参数。电滞回线表明铁电体的极化强度P与外加电场E之间呈非线性关系，并且自发极化可随外电场方向反向而反向，回线所包围的面积就是极化强度反转两次所需要的能量。电滞回线的产生是由于铁电晶体中存在铁电畴。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。晶体由许多晶胞组成的。具有相同自发极化方向的小区域叫做铁电畴。铁电体未加电场时，由于自发极化取向的任意性和热运动的影响，宏观上不呈现极化现象。当加上外电场时，沿电场方向的电畴由于新畴核的形成和畴壁的运动，畴体积迅速扩大，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。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生长，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，参见图(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，极化将沿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0D表示的极化称为剩余极化Pr(PolarizationRemanent)。将线段CB外推到与极化轴相交于E，则线段0E为饱和自发极化Ps(PolarizationSaturated)。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(Elctric-fieldCoercive)。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1铁电体的电滞回线图2电滞回线的显示铁电体中除了由于自发极化转向过程所产生的极化以外，还存在着线性感应极化；此外，铁电体的电导常常也很大。如果样品两端加上正弦交变电压：U=Umsin⑹，则样品两端的电荷将由以下三个部分组成：(1)自发极化转向过程所提供的电荷。(2)感应极化过程所提供的电荷。(3)漏电导等损耗所提供的电荷。研究电滞回线的目的，主要在于考察与自发极化转向过程有关的各种现象。实验上所得到的回线形状与下列几个因素有关：如样品的尺寸、温度、湿度，晶体的质地，样品原先的热和电

的经历，以及交变电场的频率等。实际的晶体不是非常完美的，因此很难得到比较理想的矩形回线，即使是比较好的晶体，其电滞回线的拐角处也总是被稍微变圆。对于大多数铁电陶瓷来说，因自发极化反转比较缓慢，因而具有圆弧形的电滞回线。回线围成区域的面积正比于损耗能量，这部分能量在样品内被转化为热量，为此，电滞回线的观测通常是在低频下进行的，如50Hz或者更低。在一定的外加电场下，电滞回线会呈现饱和，这是铁电晶体的一个显著特点。而且，也只有饱和的电滞回线才是铁电性的一个真正可靠的判据。电滞回线可以用图2的装置显示出来（这就是著名的Sawyer-Tower电路），以铁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C串联一个恒定电容C（即普通电容），C上的电压V加在示波器的垂直电x y y y极板上，很容易证明V与铁电体的极化强度P成正比，因而示波器显示的图像，纵坐标反映P的变化，而横坐标yV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。x下面证明V和P的正比关系，因yC（1）—xCy式中®为图中电源V的角频率式中8S—0—dd为平行平板间距离，代入（1）(2)8为铁电体的介电常数,8为真空的介电常数,d为平行平板间距离，代入（1）(2)0x式得：C88SV88SV=—V= 0 治=—EyCxCdCYyy根据电磁学(3)P=8(8-1)Eu88E=8%E(3)000对于铁电体8»1，因此有后一近似等式，代入（2）式,(4)因S与C都是常数，故Vy与P成正比。y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。铁电相变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非铁电相要低。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。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5)C5)8=+8T—TCs0二实验仪器：RT66A铁电性能综合测试仪。

1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⑵，如图3所示，其中虚框部分为铁电薄膜样品的等效电路，C.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Cxi xs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C的作用（认为C.与R开路），很容易证明U与铁电薄膜样品的极化强度P成正xs xix y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C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O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3Sawyer-Tower电路图4电滞回线电路（虚框中为铁电薄膜样品等效电路）我们选用如图4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U进入测量系统。即使被测样品端加的电压U为零，积y分器上仍然维持电压，被测样品端是虚地的，因此该测试电路可称为虚地模式。2实验内容a测量铁电薄膜样品的电滞回线，画出电滞回线及得到铁电薄膜材料的饱和极化tPs、剩余极化土Pr、矫顽场±Ec等参数。思考与问答题1．如何从电滞回线得出饱和极化强度，矫顽场参数？2．铁电材料电滞回线形状与哪些因数相关？3．试思考具有何种特性的电滞回线材料有可能应用于电存储器件？思考与回答：1：由图可得极化强度Ps,矫顽场参数Ec2:实验上所得到的回线形状与下列几个因素有关：如样品的尺寸、温度、湿度，晶体的质地，样品原先的热和电的经历，以及交变电场的频率等。实际的晶体不是非常完美的，因此很难得到比较理想的矩形回线，即使是比较好的晶体，其电滞回线的拐角处也总是被稍微变圆。对于大多数铁电陶瓷来说，因自发极化反转比较缓慢，因而具有圆弧形的电滞回线。3：较低的矫顽场的电磁滞回线材料适合4通过本次实验认识到了铁电薄膜的铁电性能，以及如何测量铁电薄膜的铁电性能，并对仪