铁电薄膜铁电性能表征.docx

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： (12.2-2) 根据电磁学 (12.2-3) 对于铁电体1，固有后一近似等式，代入（12.2-2）式 ， 因与都是常数，故与成正比。 b) 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 （12.2-5） ? 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： 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+Ps—V关系、|Pr|—V关系、|Vc|—V关系作图，并给予分析 （1）+Ps—V关系 图1 +Ps—V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