鐵電薄膜鐵電性能的表征及相關測試設備

鐵電體是這樣一類晶體:在一定溫度范圍內(nèi)存在自發(fā)極化,自發(fā)極化具有兩個或多個可能的取向,其取向可能隨電場而轉(zhuǎn)向.鐵電體并不含“鐵”,只是它與鐵磁體具有磁滯回線相類似，具有電滯回線，因而稱為鐵電體。在某一溫度以上，它為順電相，無鐵電性，其介電常數(shù)服從居里-外斯（Curit-Weiss）定律。鐵電相與順電相之間的轉(zhuǎn)變通常稱為鐵電相變，該溫度稱為居里溫度或居里點Tc。鐵電體即使在沒有外界電場作用下，內(nèi)部也會出現(xiàn)極化，這種極化稱為自發(fā)極化。自發(fā)極化的出現(xiàn)是與這一類材料的晶體結(jié)構(gòu)有關的。晶體的對稱性可以劃分為32種點群。在無中心對稱的21種晶體類型種除432點群外其余20種都有壓電效應，而這20種壓電晶體中又有10種具熱釋電現(xiàn)象。熱釋電晶體是具有自發(fā)極化的晶體，但因表面電荷的抵償作用，其極化電矩不能顯示出來，只有當溫度改變，電矩（即極化強度）發(fā)生變化，才能顯示固有的極化，這可以通過測量一閉合回路中流動的電荷來觀測。熱釋電就是指改變溫度才能顯示電極化的現(xiàn)象，鐵電體又是熱釋電晶體中的一小類，其特點就是自發(fā)極化強度可因電場作用而反向，因而極化強度和電場E 之間形成電滯回線是鐵電體的一個主要特性。自發(fā)極化可用矢量來描述，自發(fā)極化出現(xiàn)在晶體中造成一個特殊的方向。晶體中，每個晶胞中原子的構(gòu)型使正負電荷重心沿這個特殊方向發(fā)生相對位移，使電荷正負重心不重合，形成電偶極矩。整個晶體在該方向上呈現(xiàn)極性，一端為正，一端為負。在其正負端分別有一層正和負的束縛電荷。束縛電荷產(chǎn)生的電場在晶體內(nèi)部與極化反向（ 稱為退極化場） ，使靜電能升高，在受機械約束時，伴隨著自發(fā)極化的應變還將使應變能增加，所以均勻極化的狀態(tài)是不穩(wěn)定的，晶體將分成若干小區(qū)域，每個小區(qū)域內(nèi)部電偶極子沿同一方向，但各個小區(qū)域電偶極子方向不同，這些小區(qū)域稱為電疇或疇，疇的間界叫疇壁。疇的出現(xiàn)使晶體的靜電能和應變能降低，但疇壁的存在引入了疇壁能。總自由能取極小值的條件決定了電疇的穩(wěn)構(gòu)型。

二、實驗目的

1、了解什么是鐵電體，什么是電滯回線及其測量原理和方法。

2、了解鐵薄膜材料的功能和應用前景。

3、使用設備：TDZT-04C型鐵電材料綜合測試系統(tǒng)

三、實驗原理

1、鐵電體的特點

（1）電滯回線

鐵電體的極化隨外電場的變化而變化，但電場較強時，極化與電場之間呈非線性關系。在電場作用下新疇成核長，疇壁移動，導致極化轉(zhuǎn)向，在電場很弱時，極化線性地依賴于電場 見圖 ,此時可逆的疇壁移動成為不可逆的，極化隨電場的增加比線性段快。當電場達到相應于B點值時，晶體成為單疇，極化趨于飽和。電場進一步增強時，由于感應極化的增加，總極化仍然有所增大(BC)段 。如果趨于飽和后電場減小，極化將循 CBD段曲線減小，以致當電場達到零時，晶體仍保留在宏觀極化狀態(tài)，線段OD表示的極化稱為剩余極化Pr。將線段CB外推到與極化軸相交于E，則線段OE 為飽和自發(fā)極化Ps。如果電場反向，極化將隨之降低并改變方向，直到電場等于某一值時，極化又將趨于飽和。這一過程如曲線DFG所示，OF所代表的電場是使極化等于零的電場，稱為矯頑場?Ec。電場在正負飽和值之間循環(huán)一周時，極化與電場的關系如曲線CBDFGHC

所示此曲線稱為電滯回線。

圖 鐵電體的電滯回線

圖 電滯回線的顯示

電滯回線可以用圖的裝置顯示出來（這就是著名的Sawyer-Tower電路），以鐵電晶體作介質(zhì)的電容C_x上的電壓V是加在示波器的水平電極板上，與C_x串聯(lián)一個恒定電容C_y(即普通電容)，C_y上的電壓V_y加在示波器的垂直電極板上，很容易證明V_y與鐵電體的極化強度P成正比，因而示波器顯示的圖象，縱坐標反映P的變化，而橫坐標V_x與加在鐵電體上外電場強成正比，因而就可直接觀測到P-E的電滯回線。

推薦使用TDZT-04鐵電材料測試儀是適用于鐵電薄膜、鐵電體材料（既可塊體材料）的電性能測量，可測量鐵電薄膜電滯回線、可地測出具有非對稱電滯回線鐵電薄膜的Pr值。

其主要技術指標：
1.輸出信號電壓：：薄膜：0～±10V 陶瓷、材料：0～±2000V
2.輸出信號頻率：薄膜材料1-1000HZ，陶瓷：0-1Hz
3.電容范圍：1000nf～ 100nf, 精度: ≤1%。
4.電流范圍: 1nA～10A ,精度: ≤1%。

5、測試樣品：0-20mm  5個

6、高壓樣品池：2個，一個封閉式：8CM*6CM 一個開放式：8CM*5CM

7、三維移動薄膜測試平臺：直立式探針一套，角度式探針一套

8、電流：1-10倍放大，信號：1-20倍。.數(shù)據(jù)結(jié)口：USB或BNC接口。

9. 數(shù)據(jù)采集分析軟件： 能畫出鐵電薄膜的電滯回線，定量得到鐵電薄膜材料的飽和極化Ps、剩余極化Pr、矯頑場Ec、漏電流等參數(shù);可以進行鐵電薄膜材料的鐵電疲勞性能、鐵電保持性能的測試，電阻測量，漏電流測量。

10.可以配合ZJ-3和ZJ-6型壓電測試儀操作系統(tǒng)

1、鐵電性能綜合測試儀硬件結(jié)構(gòu)

鐵電薄膜材料的測量儀主要包括可編程信號源、微電流放大器、積分器、放大倍數(shù)可編程放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、微機接口部分、微機和應用軟件等部分組成。系統(tǒng)框圖見圖12-2-3，硬件系統(tǒng)由一臺計算機、信號調(diào)理電路部分組成。

圖12-2-3 鐵電性能測量儀結(jié)構(gòu)框圖

2、實驗內(nèi)容

測量鐵電薄膜樣品的電滯回線，畫出電滯回線及得到鐵電薄膜材料的飽和極化±Ps、剩余極化±Pr、矯頑場±Ec、電容量C等參數(shù)。

【實驗步驟】

1. 準備工作：首先開啟計算機，閱讀儀器說明書。

2. 初始化：在低電壓（100V）下運行測量軟 件，開啟測量儀，并檢查探針位置是否正確。

3. 確定高壓區(qū)間?V ：調(diào)整高電壓和低電壓， 觀察能出現(xiàn)標準電滯回線的大和小的 電壓值，并記錄為Vmax和Vmin，高壓區(qū)間 為?V = Vmax ? Vmin。值得注意的是，軟 件中輸入的高壓值在本次試驗的試驗儀上 通常達不到，因此需要輸入比目標電壓高 一些的電壓值，電壓值以實際高壓為準。備 注：高壓區(qū)間指的是保持標準電滯回線的 低和高電壓。

4. 測量電滯回線：在剛剛確定的那個電壓范圍內(nèi)，選擇五個電壓值，間隔為?V /5，分別 測量在這五個電壓值下的電滯回線，并且保留電滯回線測量數(shù)據(jù)。

5. 拷貝并帶回電滯回線測量數(shù)據(jù)，以便于后續(xù)數(shù)據(jù)處理使用。

6. 實驗結(jié)束后，先關閉測量儀，后關閉計算 機。

7. 用 電 滯 回 線 測 量 數(shù) 據(jù)， 計 算 相 應 的 數(shù) 據(jù)Pr、Ps、Ec。