实验29-铁电性能测量实验讲义全
材料的铁电性能课件
电场强度继续增大，最后晶体 电畴方向都趋于电场方向，类 似于单畴，极化强度达到饱和， 这相当于图中C附近的部分。
图6.26 铁电电滞回线 (Ps为自发极化强度，Ec为矫顽力）
13
2 自发极化强度Ps 极化强度达到饱和后，再增
加电场，P与E成线性关系，将这 线性部分外推至E=0时的情况， 此时在纵轴P上的截距称为饱和 极化强度或自发极化强度Ps。 3 剩余极化强度
多晶体中每个小晶粒可包含多个 电畴。由于晶体本身取向无规则，所 以各电畴分布是混乱的，因而对外不 显示极性。
单晶体，各电畴间的取向成一定的 角度，如90 °，180 ° 。
图6.31 畴壁
7
4.电畴的形成及其运动的微观机理 （1）电畴的形成
以BaTiO3为例。离子位移理论，认为自发极化主要是由 晶体中某些离子偏离了平衡位置造成的。由于离子偏离了平衡 位置，使得单位晶胞中出现了电矩。电矩之间的相互作用使偏 离平衡位置的离子在新的位置上稳定下来，与此同时晶体结构 发生了畸变。
的电滞回线很接近于矩形，Ps 和Pr很接近，而且Pr较高；陶 瓷的电滞回线中Ps与Pr相差较 多，表明陶瓷多晶体不易成为
单畴，即不易定向排列
图6.34 BaTiO3的电滞回线 20
4)铁电体的应用
①由于它有剩余极化强度，因而铁电体可用来作信息 存储、图象显示。
目前已经研制出一些透明铁电陶瓷器件，如铁电存储和 显示器件、光阀，全息照相器件等，就是利用外加电场使 铁电畴作一定的取向，使透明陶瓷的光学性质变化。铁电 体在光记忆应用方面也已受到重视，目前得到应用的是掺 镧的锆钛酸铅（PLZT)透明铁电陶瓷以及Bi4Ti3O12铁电薄膜。
1)温度对电滞回线的影响 铁电畴在外电场作用下的“转向”，使得陶瓷材料具有宏
铁电体电特性测量实验
片） 电特性参量． 的
关键 词 ： 滞 回 线 ； 电体 ； 电 陶 瓷 ； 片 机 接 口 电 铁 压 单
于直径 ｄ， Ｃ 《Ｃ ． 且 ｘ 。 由图 １可知 ：
一
由式 （ ） （） ４ 和 ５ 即可得 到
ｖ 一 。 ＣＤ ． （） ６
亳 ，
（ １ ）
由式 （ ） （ ） ３ 和 ６ 可知 ， 与
分别 与 待测 样 品 Ｃ 与Ｖ
的电场强 度 Ｅ、 电位 移 Ｄ 成 正 比．若将
测铁 电体 （ 电陶 瓷 片） 电特 性 参 量 ， 剩 余极 压 的 如 化强 度 Ｐ 、 自发极化 强度 Ｐ 及矫 顽场 强 Ｅ。 。 等．
１ 中
图 １ 电 滞 回线 发 生 器 电 路
Ｖ≈ Ｅ＾ ． （ ） ２
２ 电滞 回线 发 生 器
为 了研究 铁 电体 的电 特性 ， 常将 铁 电 体做 通 成 电容器 ， 即在 铁 电 体 的上 下 两 面 镀银 作 为 电 容
框图 如图 ２所示 ．
警 Ｊｌ 主 攀 ， ．机 Ｉ２ ｃ， ５２ ＰＨ １＿ ￣ 叽 ） Ｉ ｓ
图 ２ 测 量 系 统 框 图
图 ３为待 测 信 号 （ ） 的调 理 电路 ．由于 电滞 回线发 生器 的输 出 Ｖ 和 Ｖ 太 小 ， 需经 过 放 大方 可 进 行 Ａ／ 处 理 ， 以 使 其 分 别 通 过 由 Ｄ 所 Ｌ ２ Ｍ３ ４组 成 的两 级 放 大 电 路 将 信 号 放 大．输 入 信号首先通过 由 Ｌ ２ Ｍ３ ４组 成 的 电 压 跟 随器 ， 它 不仅 精 度高 ， 且 输 入 电阻 大 ， 出 电 阻小 ， 以 而 输 所
铁电测试原理
铁电测试原理
铁电测试是一种用于测量铁电材料性质的测试方法。
铁电材料具有自发电偶极矩，并且能够在外加电场作用下产生电介质极化。
铁电测试主要通过测量材料的极化行为来评估其铁电性能。
铁电测试的基本原理是利用外加电场对铁电材料产生的极化效应进行检测。
在测试中，首先将待测试的铁电样品放置在测试装置中，并施加一个恒定电场。
然后，通过测量样品中的极化电荷或极化电流来评估铁电材料的性能。
常用的铁电测试方法包括极化-电压（P-V）测试和迭代抗收叠（PUND）测试。
在P-V测试中，通过改变施加在材料上的电
场大小，并测量相应的极化电荷或电流来建立极化-电压曲线。
这个曲线反映了材料的极化-电场关系，并可用于确定铁电材
料的极化特性。
PUND测试是一种动态测量方法，它通过施加一系列周期性电场脉冲来测量材料的极化响应。
在测试过程中，每个脉冲都会产生一个极化响应，而材料的极化水平则是通过不同脉冲之间的极化响应差异来确定的。
PUND测试可以提供更详细的铁电材料性能信息，如退极化电场、饱和极化和铁电畴切换等。
通过铁电测试，可以评估铁电材料的极化特性、响应时间、电介质的稳定性以及疲劳行为等。
这些测试结果对于理解铁电材料的性能、优化材料制备工艺和应用于电子器件中具有重要意义。
物理实验技术中的铁电材料测量与实验方法
物理实验技术中的铁电材料测量与实验方法引言：铁电材料作为一种特殊的功能材料，在电器和电子工业中有着广泛的应用。
为了研究和探索铁电材料的特性，科学家们开展了一系列的物理实验，并借助先进的测量和实验方法来获得准确和可靠的数据。
本文将介绍物理实验技术中常用的铁电材料测量与实验方法，并探讨它们的原理和应用。
一、铁电材料的基本特性和测量铁电材料具有独特的电极化特性，能够在外界电场的作用下发生自发极化。
为了测量铁电材料的电极化行为，通常使用电压-电荷曲线来描述材料的电极化状态。
常用的测量方法包括极化曲线测量和退极化曲线测量。
极化曲线测量是在不同的偏置电压下，测量材料的产生和消除极化的电荷量。
退极化曲线测量则是通过在一个初始电场下测量极化电荷，然后通过改变电场方向来观察电荷的变化。
这些测量方法能够提供有关铁电材料的极化行为和电压响应的重要信息。
二、电容法和介电谱测量电容法是一种常见的测量铁电材料性质的方法。
它通过测量材料的电容来推断材料的电极化状态。
电容法可以分为恒压法和交流法两种。
恒压法是通过在铁电材料上施加一个固定的电压，然后测量电容的变化来推断材料的电极化行为。
交流法则是通过施加交流电压，并测量材料的电容和电导率来得到材料的介电常数和损耗因子。
这些测量方法广泛应用于铁电材料的电容性能和其频率响应的研究中。
三、X射线衍射测量与结构分析X射线衍射是一种常用的分析方法，可以用于表征铁电材料的晶体结构和晶格参数。
这种方法可以通过材料对入射X射线的散射进行测量，从而确定材料的晶体结构和晶格常数。
X射线衍射方法常用的设备包括X射线衍射仪和衍射图谱仪。
X射线衍射仪通过测量材料对入射X射线的散射角度和强度来获得样品的衍射图谱。
衍射图谱仪则用于解析和分析衍射图谱，从而确定材料的晶体结构和晶格参数。
四、压电力显微术的应用压电力显微术是一种常用的表征铁电材料性质的方法，可以用于研究材料的电极化状态和压电响应。
这种方法利用原子力显微镜的力传感器，可以测量材料在外界电场或者压力作用下产生的微小位移或变形。
材料的压电性与铁电性能.ppt
•电磁波无法穿越海水 •声波很容易在海里行进
继承人：蓝杰文 (ngevin)
利用石英的压电效应 制成水下超声探测器
如今：
•声纳 •反潜 •海底通讯 •电话通讯 •医学诊断：超声波成像术、全像摄影术、
计算机辅助声波断层摄影术
材料的压电性能与铁电性能
第一节 压电性能
一、压电效应的基本原理
(1) 不具有自发极化特性，但为不对称中心结构，在外力的 作用下，产生极化。
正压电效应
逆压电效应
－－－－－－－
+++++
极化方向
－－－－－
+++++++
释放电荷
－－－－－－－－－－－－－
+++++
极化方向
－－－－－
+++++++++++++
材料的压电性能与铁电性能
二、压电性能的主要参数
1、介电常数
介电常数反映了材料的介电性质（或极化性质）即：
D ijE
不同机械条件时，测得的介电常数不同。
①当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。有时人们把这 种机械能转换为电能的现象，称为“正压电效应”。
②相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生几 何变形，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。
材料的压电性能与铁电性能
压电效应
具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机—电 能量的相互转换。
tan IR / IC 1 / (CR)
式中：ω为交变电场的角频率； C为介质电容； R为损耗电阻；
铁电材料制备与性能表征实验提纲
铁电材料制备与性能表征实验提纲实验目的：制备铁电材料，并进行性能测试。
材料：氧化钛（TiO2）粉末、钛酸四丁酯（TBT）、异丙醇、甲苯、乙醇、铝箔片。
仪器设备：自动定量注液器、恒温培养箱、离心机、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）。
实验步骤：1. 安全检查。
2. 准备氧化钛（TiO2）粉末，加入异丙醇，用高速搅拌器超声分散1.5小时，将分散液继续搅拌1小时。
3. 加入TBT预聚液，用自动定量注液器按照一定比例浓度注入分散液中，再用高速搅拌器旋转混合1小时，得到均匀溶胶。
4. 加入甲苯、乙醇，搅拌混合。
5. 将铝箔片严格清洗，放入恒温培养箱中，在160摄氏度下烘烤1小时。
6. 涂覆均匀溶胶于铝箔片上，再在空气中烘烤1小时。
7. 离心分离，用干燥箱干燥。
8. 进行SEM和XRD测试，测量铁电材料的晶体结构和形貌，分析其性能。
实验现象记录：1. 在加入TBT预聚液后，液体黏稠度增加。
2. 在涂覆均匀溶胶于铝箔片上时，需要注意溶液的均匀性和数量。
3. 在离心分离时，需要注意时间和速度的控制，不要将铁电材料分离异常。
4. 在测试时，需要谨慎操作，保证仪器的准确性。
实验问题及解决方案：问题1：加入TBT预聚液后，液体黏稠度增加，如何解决？解决方案：可以在混合液中加入少量甲苯或乙醇溶解。
问题2：涂覆均匀溶胶于铝箔片上时，出现溶液不均匀或溶液不足，如何解决？解决方案：可以按照一定比例，将溶液分别涂抹于多个铝箔片上，避免过多或不足。
问题3：在离心分离时，出现铁电材料分离异常，如何解决？解决方案：可以重新加入适量溶剂，再次混合均匀后进行离心分离。
实验影响因素和实验记录：1. TBT预聚液的比例和浓度会影响溶液的黏稠度和铁电材料的形貌。
2. 涂覆均匀溶胶于铝箔片上的方式和数量会影响铁电材料的均匀度和输出能力。
3. 离心分离的时间和速度会影响铁电材料的形态和质量。
实验规范：1. 进行实验前，需要进行全面的安全检查，确保仪器和材料的安全性。
材料铁电性能的测量课件
铁电材料在一定温度范围内表现 出明显的铁电效应，即自发极化 随着温度的升高而降低，反之亦然。
铁电材料的特性
01
02
03
电滞回线
铁电材料具有显著的电滞 回线，即其介电常数和极 化强度随外加电场的变化 而发生非线性变化。
热释电效应
当铁电材料受到温度变化 时，其自发极化强度会发 生变化，产生热释电电流。
铁电测试仪通常采用交流测量方法，通过在材料上施加一定频率和幅度的交流电信 号，测量材料的响应信号，从而计算出材料的铁电性能参数。
铁电测试仪具有高精度、高稳定性和可重复性的特点，是研究材料铁电性能的重要 工具。
示波器
示波器是一种常用的电子测量仪 器，它可以用来观察和测量各种
信号的波形和参数。
在测量材料铁电性能时，示波器 可以用来观察和记录材料的电响 应信号，帮助研究者了解材料的
压电效应
在铁电材料中，自发极化 强度随外力作用而发生改 变，从而产生压电电压。
铁电材料的应用
传感器
利用铁电材料的压电效应 和热释电效应，可以制作 出高灵敏度、高分辨率的 传感器。
存储器
铁电材料具有非易失性的 电滞回线，可以用于制作 铁电随机存储器（FRAM）。
换能器
利用铁电材料的压电效应 和热释电效应，可以制作 出高效能的换能器。
在传感器领域的应用
总结词
铁电材料在传感器领域的应用主要涉及压力传感器和振动传感器。
详细描述
由于铁电材料的压电效应，它们可以用于制造高灵敏度、低噪声和宽频带压力传 感器和振动传感器。这些传感器广泛应用于航空航天、汽车、机械和医疗等领域， 用于监测压力、振动和声学信号，并进行相应的控制和调节。
2023
总结词
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P s、剩余极化强度P r、矫顽场E c等重要铁电参数，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和使用方法。
2.掌握电滞回线的测量及分析方法。
3.理解铁电材料物理特性及其产生机理。
【实验仪器】本实验采用美国Radiant Technology公司生产的RT Premier Ⅱ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 (Positive Up Negative Down)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，其中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。
另外由于铁电体本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C F对应于电畴反转的等效电容，C D对应于线性感应极化的等效电容，R C对应于试样的漏电流和感应极化损耗相对应的等效电阻。
铁电性能
从一个面上看的投影图
当 冷 却 致 居 里 温 度 以 下 时 ， Ti4+ 和 O2-偏离平衡位置，造成正负电荷中 心不重合，结果产生永久电偶极子
BaTiO3 晶 体 从 非 铁 电 相 到铁电相的过渡总是伴 随着晶体立方四方的 改变，因此提出了一种 离子位移理论，认为自 发极化主要是由晶体中 某些离子偏离了平衡位 置，使得单位晶胞中出 现了电偶极矩造成的
示出直线型的温度特性，而介电常数r仍能保持近2000
8
4. 介电常数
铁电体的极化强度和外加电压的关系是非线性的，即其介电常数不是一个常数，随 外电场的增大而增大
铁电体的优点：介电常数可以很大，r最大可以超过10万，这对制造大容量小体积
的电容器十分有意义
铁电体的缺点：用作电容器介质材料时，不适宜性也很多。例如： 随电压变化大 产生电致伸缩现象 呈现电滞回线，因而损耗很大 耐电性能差 老化严重
9
10
课堂作业
1、氢在1大气压下是绝缘体，但在高压下却变成导体（具有金 属特性），为什么？ 2、空气是一种介电强度很小的电介质，基此，请解释闪电的 起源。
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4
2. 铁电畴
通常，一个铁电体并不是在一个方向上单一地产生自 发极化。但在一个小区域内，各晶胞的自发极化方向 都相同，这个小区域称为铁电畴，两畴之间的界壁称 为畴壁
铁电畴 铁电畴 畴壁
铁电畴在外电场作用下，总是要趋向于与外电场方向一致，这形象地称作电畴的 “转向” （实际的电畴运动是通过在外电场作用下新畴的出现、发展以及畴壁的 移动来实现的）
人工极化：铁电畴在外电场作用下的“转向”，使得铁电材料具有宏观极化强度， 即材料具有“极性”
剩余极化：当外加电场撤去后，有小部分电畴偏离极化方向，恢复原位，大部分 电畴则停留在新转向的极化方向上，使材料仍具有宏观剩余极化强度
铁电性实验
铁电薄膜铁电性能的表征d实验目的了解什么是铁电体，什么是电滞回线以及其测量原理和方法。
实验原理1.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大，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 。
电场在正负饱和值之间循环一周时，极化与电场的关系如曲线CBDFGHB 所示，此曲线称为电滞回线。
电滞回线可以用图12.2-2的装置显示出来（这是著名的Ｓａｙｅｒ-Ｔｏｙｅｒ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像，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yx x y x y C C C C V V ==ωω11（12.2-1）式中ω为图12.2-2中电源Ｖ的角频率ε为铁电体的介电常数，ε0为真空的介电常数，Ｓ为平板电容Ｃx 的面积，ｄ为平行平板间距离，代入（12.2-1）式得： E C S d V C S V C C V yx y x Y x y 00εεεε===（12.2-2） 根据电磁学 E E E P χεεεεε000)1(=≈-= （12.2-3）对于铁电体ε>>１，故有后一近似等式，代入（12.2-2）式，P C S V yy = （12.2-4） 因Ｓ与Ｃｙ都是常数，故Ｖｙ与Ｐ成正比。
稀土材料的铁电性能研究
稀土材料的铁电性能研究引言稀土材料是一类由稀土元素组成的化合物，具有独特的结构和性质。
其中，铁电性能是稀土材料中一个重要的性能指标。
研究稀土材料的铁电性能对于深入了解其结构和性质具有重要意义。
本文将对稀土材料的铁电性能进行研究，并探讨其在材料科学领域中的应用前景。
什么是铁电性能？铁电性是指一些物质在特定的条件下具有正电荷和负电荷分离的能力，从而形成一个电偶极矩。
这种电偶极矩可以在外界电场的作用下发生翻转，使物质在正负电荷之间发生相互转换。
铁电性是一种重要的物理性质，具有广泛的应用潜力。
稀土材料的铁电性能研究方法研究稀土材料的铁电性能需要运用多种方法和手段。
下面介绍几种常用的研究方法：1. 静电法静电法是一种常用的测量铁电材料电偶极矩的方法。
该方法通过将铁电材料置于一个恒定的外电场中，测量材料中电偶极矩的变化来评估其铁电性能。
2. X射线衍射分析X射线衍射分析是一种用于研究晶体结构的方法。
通过研究稀土材料的晶体结构，可以了解其中可能存在的铁电性能。
3. 电子显微镜观察电子显微镜观察是一种观察材料表面形貌和微观结构的方法。
通过观察稀土材料的形貌和结构，可以了解其中可能存在的铁电性能。
4. 热分析方法热分析方法是一种通过对材料的热性能进行测试来研究其性质的方法。
通过测量稀土材料在不同温度下的热性能变化，可以了解其可能的铁电性能。
稀土材料的铁电性能应用前景稀土材料的铁电性能具有广泛的应用前景。
以下是几个可能的应用领域：1. 数据存储铁电材料的电偶极翻转可以被用来存储和读取信息，因此可应用于高密度数据存储设备。
2. 传感器铁电材料的电偶极翻转对外界电场和温度的变化非常敏感，因此可应用于传感器制造。
3. 电气设备铁电材料的铁电性能使其成为电气设备的重要组成部分，如高压电容器、可编程逻辑器件等。
4. 光电器件铁电材料的铁电性能使其能够应用于光电器件，如光电开关、光传感器等。
结论稀土材料的铁电性能是其重要的物理性质之一，具有广泛的应用前景。
(完整版)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P s 、剩余极化强度P r 、矫顽场E c 等重要铁电参数，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和使用方法.2. 掌握电滞回线的测量及分析方法。
3. 理解铁电材料物理特性及其产生机理。
【实验仪器】本实验采用美国Radiant Technology 公司生产的RT Premier Ⅱ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 (Positive Up Negative Down ）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，其中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.另外由于铁电体本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C F 对应于电畴反转的等效电容,C D 对应于线性感应极化的等效电容，R C 对应于试样的漏图2 铁电测试等效电路图O +E c-P rPE+P r-E cP S图1 铁电体的电滞回线电流和感应极化损耗相对应的等效电阻。
实验一材料的铁电性能测量
实验⼀材料的铁电性能测量实验⼀陶瓷的铁电性能测试1．原理铁电体是在⼀定温度范围内含有能⾃发极化、并且⾃发极化⽅向可随外电场可逆转动的晶体。
在铁电态下，晶体的极化与电场的关系有图1的形状，称为电滞回线。
构成电滞回线的⼏个重要参数饱和极化强度（⾃发极化强度）P s、剩余极化强度P r、矫顽电场E c，是衡量铁电体铁电性能的重要参数。
2．实验仪器设备本实验采⽤美国Radiant公司⽣产的铁电测试系统，该系统由精密⼯作站、⾼压⼯作界⾯（HVI）、10kV⾼压放⼤器（HV A）三部分组成。
3．测量步骤1) 接通测试系统的电源，打开精密⼯作站的电源开关，起动精密⼯作站。
2) 按下Ctrl＋Alt＋Del，并输⼊密码，登录到WindowsNT，系统会⾃动打开VisionPro 窗⼝（见图１）。
3）把实验样品夹在样品夹上，并确保样品与样品夹接触良好。
4) ⽤⿏标选择“QuikLook”菜单下的“Hysteresis”命令，打开⼀个标题为Hysteresis QuikLook的对话框。
（见图2）5) 在“Hysteresis Task Name”中，写⼊测量任务的名字。
6) 在对话框的右上边的“V oltage Range”选择中，选择“External Amplifier”中的±10000V olts的选项。
图 1图 27) 在“VMax”中，写⼊需要对样品加载的电压值。
8) 在“Hysteresis Period”中，写⼊测量周期。
注：对块状陶瓷样品进⾏⾼压铁电性能测试⼀般需要⼀段较长的持续时间，所以在“Hysteresis Period”中⼀般选择300ms～1000ms。
9) 在“Area”中，写⼊样品的⾯积；在“Thickness”中，写⼊样品的厚度。
10) 在对话框的右下边，取消“Auto Amplification”的选择,在“Amp. Level”的选项中选择×0.001的放⼤倍数，然后在选择“Auto Amplification”。
铁电体电特性测量实验
铁电体电特性测量实验郑明;李华;王璞瑞【摘要】利用电滞回线发生器,通过信号测量电路及计算机接口技术,描绘电滞回线,计算出待测铁电体(压电陶瓷片)的电特性参量.【期刊名称】《物理实验》【年(卷),期】2012(032)010【总页数】3页(P6-8)【关键词】电滞回线;铁电体;压电陶瓷;单片机接口【作者】郑明;李华;王璞瑞【作者单位】北京航空航天大学物理科学与核能工程学院,北京100191;北京航空航天大学物理科学与核能工程学院,北京100191;北京航空航天大学物理科学与核能工程学院,北京100191【正文语种】中文【中图分类】O482.4铁电体是一类用途十分广泛的电介质材料，在通讯、导航、测控、传感器等技术领域有着十分重要的应用.所谓铁电体，是指具有自发极化，且自发极化方向可随外电场而反向的物质.在一定的温度范围内，铁电体的极化强度P不随外电场E作线性变化，呈现出电滞回线的关系.本实验利用电滞回线发生器，通过信号测量电路及计算机接口技术，描绘电滞回线，计算出待测铁电体（压电陶瓷片）的电特性参量，如剩余极化强度Pr、自发极化强度Ps及矫顽场强Ec等.为了研究铁电体的电特性，通常将铁电体做成电容器，即在铁电体的上下两面镀银作为电容器的电极，铁电体即为充满其间的电介质，研究此电容器的电特性即可达到目的.图1为典型的Sawyer－Tower电滞回线发生器电路［1］.由信号源提供的交流信号经升压变压器升高后提供给电滞回线发生器.图1中Cx为待测样品（本实验选取的是压电陶瓷），其厚度h远远小于直径d，且Cx≪C0. 由图1可知：由于Cx≪C0，故可认为加在Cx上的电压近似为变压器的输出电压V，于是综合式（1）和（2），有设Q为C0极板上的电荷，则因Cx与C0串连，两电容极板上的电荷相等，此电荷可通过Cx内的电位移D和Cx极板面积S表述为由式（4）和（5）即可得到由式（3）和（6）可知，Vx与Vy分别与待测样品Cx的电场强度E、电位移D成正比.若将Vx与Vy分别接至示波器的X，Y输入端，则可在示波器上观察到电滞回线波形［2－3］.传统的示波器法，不便于得到待测铁电体的各种物理参量.为了定量计算被测样品的电特性参量，需将2路模拟信号Vx和Vy变换成数字信号，以便计算机处理.测量系统硬件电路的原理框图如图2所示.图3为待测信号Vx（Vy）的调理电路.由于电滞回线发生器的输出Vx和Vy太小，需经过放大方可进行A／D处理，所以使其分别通过由LM324组成的两级放大电路将信号放大.输入信号首先通过由LM324组成的电压跟随器，它不仅精度高，而且输入电阻大，输出电阻小，所以能真实地将输入信号传给负载.输入信号经过跟随器后，经由LM324组成的反相放大电路将输入信号放大至适合A／D转换的电压范围内.如前所述，电滞回线是通过比较Vx与Vy而得到，而Vx与Vy均是随时间变化的，由于CPU在同一时刻只能对某一路信号进行采样，为了得到同一时刻的Vx与Vy，就需要利用采样保持器LF398，通过对同一时刻X与Y两路信号采样保持，CPU经过A／D转换器件分2次读出经过保持的信号，等同于获得了同一时刻的Vx与Vy，从而提高了测量精度.采用8位A／D转换器ADC0809将采样后的模拟信号变换成数字信号［4］，它所需要的时钟输入信号由单片机的ALE脉冲信号经74LS74分频后来提供，如图4所示.测量系统的CPU选用89C51，它内部集成了可重复擦写的程序存储器，既减小了元器件的使用数量，又便于硬件电路的开发与升级.RS232串行通信接口电路采用MAX232，用于将TTL电平转换成RS－232电平，以便测量系统与主机之间进行数据传输.89C51中的RXD是串行数据接收端，TXD是发送端，MAX232中的R1IN用于接收从主机通过串行线传送的命令数据，而T1OUT则用于将已经转换成RS－232电平的测量数据传送到连接主机的串行线上.系统测量装置软件使用汇编语言编写，其软件流程如图5所示.在开机上电后，首先初始化各控制寄存器与计数寄存器，然后进入采样循环，采样间隔可由主机设置，每次采样通过LF398同时对Vx与Vy进行采样保持，然后通过ADC0809分别对2路信号进行模数转换（选通道X、选通道Y），将此组数据存放在CPU内部RAM缓冲区，直到采完100组数据.随后向上位机发送数据，并开始下一轮采样循环.实验中的压电陶瓷样品选用钛酸钡（Ba－TiO3）制备，为了降低线性感应电容对测量结果的影响，在条件容许的范围内尽量减小样品电极的面积［5］，其电极有效面积为2mm2，样品厚度0.1mm.主机软件采用LabVIEW编写，主机接收来自下位机（测量装置）的数据后可以在计算机屏幕上绘出电滞回线的图形，如图6所示，对其进行分析计算可得到待测铁电体材料的电特性参量，其剩余极化强度Pr为5.98×10－6C／cm2，自发极化强度Ps为9.67×10－6C／cm2，矫顽场强Ec为3.31kV／cm.铁电体电特性测量实验的研制开发得到了北京航空航天大学蓝天新星基金支持.实际应用表明：本文述及的铁电体电特性测量实验电路设计简单可靠，可方便地在微机屏幕上绘制待测铁电体的电滞回线图形，并可迅速得到其一系列的电特性参量.【相关文献】［1］李远，秦自楷，周志刚.压电与铁电材料的测量［M］.北京：科学出版社，1984：125－132.［2］曾亦可，刘东梅，王培英，等.铁电薄膜电滞回线测量研究［J］.功能材料，1998，29（6）：600－603.［3］钱水兔，李光远.铁电体的电滞回线演示［J］.物理实验，1993，13（6）：244－246. ［4］李朝青.单片机原理及接口技术［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2005：259－263. ［5］ Miller S L，Schwank J R，Nasby R D，et al.Modeling ferroelectric capacitor switching with asymmetric nonperiodic input signals and arbitrary initial conditions ［J］.J.Appl.Phys.，1991，70（5）：2849－2860.。
铁电的测定
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、了解铁薄膜材料的功能和应用前景。
实验原理一、铁电体的特点1．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V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C x 上的电压V 是加在示波器的水平电极板上，与C x 串联一个恒定电容C y (即普通电容)，C y 上的电压V y 加在示波器的垂直电极板上，很容易证明V y 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V x 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V y 和P 的正比关系，因y xxy x y C C C C V V ==ωω11(12.2-1)式中ω为图中电源V 的角频率dSC x 0εε=ε为铁电体的介电常数,0ε 为真空的介电常数,S 为平板电容x C 的面积，d 为平行平板间距离，代入（12.2-1）式得： E C S d V C S V C C V yx y x Y x y 00εεεε===(12.2-2) 根据电磁学E E E P χεεεεε000)1(=≈-= (12.2-3) 对于铁电体>>ε1，固有后一近似等式，代入（12.2-2）式 ， P C SV yy =因S 与y C 都是常数，故Vy 与P 成正比。
铁电材料性能测试与表征-河南大学精品课程网
铁电材料性能测试与表征-河南大学精品课程网铁电材料性能测试与表征【实验目的】1、了解铁电薄膜材料的功能和应用前景。
2、理解什么是铁电体，理解掌握电滞回线及其测量原理和方法。
3、掌握用溶胶-凝胶法制备PbTiO3薄膜。
4、学会用多种测试手段对PbTiO3薄膜进行结构分析和铁电性质表征。
【教学重点】1.铁电薄膜材料的性质和应用；2.溶胶-凝胶制备铁电薄膜的方法；3.铁电薄膜性质测试分析方法。
【教学难点】溶胶-凝胶制备薄膜工艺【时间安排】6学时【教学内容】一、检查学生预习情况检查预习报告。
二、学生熟悉实验仪器设备匀胶机，快速退火炉，X射线衍射仪（X R D）,扫描电子显微镜（S E M）,铁电测试仪等。
三、讲述实验目的和要求1.选用结晶乙酸铅、钛酸丁酯为离子源。
2.将结晶乙酸铅按所需比例称量，加入乙二醇乙醚，加热至80℃时乙酸铅溶解，118℃时乙酸铅中的结晶水挥发。
3.缓慢加入钛酸丁酯，并不停搅拌，124℃时乙酸丁酯挥发，铅钛复醇盐形成，135℃时溶剂挥发，冷却至室温。
4.加一定量的稀释剂和稳定剂，配成0.2mol/L的溶液。
5.用匀胶机多次甩胶成膜。
6.快速退火炉，450℃～700℃下热处理制成PbTiO3薄膜。
7.分别用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、对PbTiO3薄膜进行结构和形貌分析和观察。
8.用铁电测试仪对其铁电性进行分析。
四、实验原理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，见图(10.1-1) ,此时可逆的畴壁移动成为不可逆的，极化随电场的增加变得比线性段快。
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，以致当电场为零时，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r P 。
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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P s 、剩余极化强度P r 、矫顽场E c 等重要铁电参数，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和使用方法。
2. 掌握电滞回线的测量及分析方法。
3. 理解铁电材料物理特性及其产生机理。
【实验仪器】本实验采用美国Radiant Technology 公司生产的RT Premier Ⅱ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 (Positive Up Negative Down)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，其中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。
另外由于铁电体本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C F 对应于电畴反转的等效电容，C D 对应于线性感应极化的等效电容，R C 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2 铁电测试等效电路图 O +E c -P r PE+P r -E c P S 图1 铁电体的电滞回线压，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Q F，当E<E c时，铁电畴不发生翻转，电荷Q F不发生改变；当E>E c时，铁电畴迅速翻转，电荷Q F突变。
当铁电畴全部反转之后，继续增大电场强度，电荷Q F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。
(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Q D。
感应极化所提供的电荷Q D和电压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Q C，Q C 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Q C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Q F、Q D、Q C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，只有电荷Q F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Q D和Q C的影响。
由图3可知，电容效应Q D使得Q F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Q F和V c的数值没有影响。
而电阻效应提供的电荷Q C则不同，Q C使Q F的饱和支畸变成一个环状端。
对Q F和V c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Q F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，以致一些研究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，其中应用最广泛的是Sawyer–Tower方法，它是一种建立较早，已被大家广泛接受的非线性器件的测量方法，目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C0联，测量待测样品上的电压降（V2-V1）。
其中标准电容C0的电容量远大于试样C x，因此加到示波器x 偏向屏上的电压和加在试样C x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C x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3 电荷Q F、Q D、Q C与电压V的关系本实验中的铁电性能测试采用美国Radiant Technology 公司生产的RT Premier Ⅱ型标准铁电测试仪。
该仪器采用 Radiant Technologies 公司开发的虚地模式，如图5所示。
待测的样品一个电极接仪器的驱动电压端(Drive)，另一个电极接仪器的数据采集端(Return)。
Return 端与集成运算放大器的一个输入端相连，集成运算放大器的另一个输入端接地。
集成运算放大器的特点是输入端的电流几乎为0，并且两个输入端的电位差几乎为0，因此，相当于Return 端接地，称为虚地。
样品极化的改变造成电极上电荷的变化，形成电流。
流过待测样品的电流不能进入集成运算放大器，而是全部流过横跨集成运算放大器输入输出两端的放大电阻。
电流经过放大、积分就还原成样品表面的电荷，而单位面积上的电荷即是极化。
这一虚地模式可以消除Sawyer –Tower 方法中感应电容产生的逆电压和测试电路中的寄生电容对测试信号的影响。
图5 Premier Ⅱ铁电测试仪虚地模式电路示意图电滞回线（Hysteresis loop ）的测量图6是测量电滞回线所用的三角波测试脉冲。
第一个负脉冲为预极化脉冲，它只是将待测样品极化到负剩余极化( P r )的状态，并不记录数据。
间隔1s 后，施加一个三角波来测试记录数据，整个三角波实际是由一系列的小电压台阶构成的，每隔一定时间（Voltage step delay ），测试电压上升一定值（Voltage step size ），然后测试一次，并通过积分样品上感应的电流可以算出电极表面的电荷，除以电极面积即可得到此电压下的剩余极化强度值。
图4 Sawyer –Tower 电路 IntegratorVoltage MeasurementReturnTransimpedanceAmplilier Gain Stage Device under testParasiticcapacitance Drive图6 电滞回线测试脉冲【实验容及步骤】主要通过操作铁电测试仪控制软件Vision，测量铁电材料的电滞回线并从回线上得出剩余极化强度P r，自发极化强度P s，以及矫顽场E c。
调整测试电压强度和频率，得到不同电压强度，不同频率下的电滞回线，研究剩余极化强度P r，和矫顽场E c随电压强度和频率的变化关系。
1、启动铁电测试仪，运行铁电测试软件Vision。
2、将信号输入端（Drive）和接收端（return）通过导线连接到待测铁电材料的上下电极。
3、运行电滞回线测量程序，设定测试电压强度和频率等参数进行测试。
如图7所示。
图7 电滞回线测量设置界面4、执行程序得到电滞回线，如图8所示，可以得到该测试条件下的自发极化强度P、剩余极化强度P r和矫顽场E c，导出数据，。
图8 电滞回线测试结果5、分别改变测试的电场强度和频率测量一系列电滞回线。
【数据处理】将测试数据导出为text格式文件，用Origin或其他作图软件打开，并画出电滞回线图。
测量不同条件下的剩余极化强度P r和矫顽场E c，填入下表。
分别以电场强度E和电场频率f为横坐标，以P r和E c为纵坐标画图，观察P r和E c随E和f的变化规律。
表1 不同电场强度下的P r和E c值电场强度( E )剩余极化强度( P r )矫顽场强度( E c )表2 不同电场频率下的P r和E c值电场频率( f )剩余极化强度( P r )【注意事项】根据所测材料的不同选择不同的电压，薄膜一般比较薄（约几百nm），所需电压较低（约几十伏），一般选置低压电源（Internal Voltage Source），测量围为0-100 V。
瓷一般选用经过放大器输出的外部高电压（External High Voltage ），测量围为0-9999 V。
高压测试时务必小心，用耐高压硅油掩盖待测样品，高压输出灯亮时，切勿碰触样品、探针和机箱，以免触电。
高压测试时请将低压测试线从主机面板插孔拔出。
测试时先从低压测起，逐步提高电压，以防样品被击穿。
【思考问题】1．如何从电滞回线得出剩余极化强度、饱和极化强度和矫顽场的大小？2．电滞回线的形状与哪些因数相关，如何判断其铁电性能的好坏？3. 电滞回线的面积具有什么物理意义？4. 如何建立铁电材料性能和应用之间的联系？。