介电测量技术实验指导书：实验一铁电体介电常数与介电温谱测试一.PDF

介电测量技术实验指导书： 实验一 铁电体介电常数与介电温谱测试 一、实验目的 1．掌握介电常数的定义及测量原理； 2．熟悉介电测量设备的使用方法； 3．了解几种不同的铁电体的介电温谱及其相变行为； 4．掌握数据处理方法和对数据的分析。 二、实验原理 介电常数是表征介质极化能力的一个参数，它正比于单位电场在介质中诱导 的电位移大小。一般说来，固体介质中存在的极化机制有电子位移极化、离子位 移极化、偶极取向极化和空间电荷极化四种类型。决定于具体的极化机制，固体 4 介质的介电常数可以处于从2 到10 的宽广范围内。对于铁电体而言，极化的情 况相比较于一般介质要复杂得多，既有极化的非线性，又有因为铁电畴的存在而 带来的不可逆过程和滞后效应的影响。 根据测量时电场强弱与计算范围的大小，铁电体介电常数可以分为三种：小 信号介电常数，交流介电常数以及微分介电常数。如表1 所示。 表1 铁电体介电常数的分类 测量电场 计算范围 公式 测量方法 小信号介电常数 小信号交变电场 小信号范围 ε＝ΔP/ΔE LCR （可逆介电常数） 交流介电常数 电滞回线 强交流电场 大范围内平均量 ε＝P/E （有效/等效介电常数） 西林电桥 电滞回线 微分介电常数 强交变电场 局部小范围 ε＝dP/dE 微分 在本实验中只要求测量小信号介电常数及其温度依赖关系。 低频下测量铁电材料的小信号介电常数的方法主要是应用平行板电极电容 器的测量原理，通过测量样品的电容量，经计算求得的。若忽视平行板电容器的 边缘效应，电容量与介电常数的关系如下： A C=ε ε （1） 0 r d 式中C 为被测样品在低频下的电容量，A 为平行板重叠部分面积，d 为两平行板 之间的距离，ε ＝8.85×10-12（F/m）为真空介电常数， 为相对介电常数。由 ε 0 r Cd ε = 即可计算出相对介电常数。平行板电容器一般要求样品的横向尺寸（直 r ε A 0 径/边长）要大于10 倍样品厚度。 铁电体的介电常数温谱曲线携带了铁电相变的信息，对于一级相变和二级相 变铁电体，其相变温度（T）以上的介温曲线满足居里外斯定律 c C 2 ε = （ ） r T−T 0 其中，一级相变铁电体满足