铁电性能综合测试概要
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 。
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。
实验一 材料的铁电性能测量
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入测量任务的名字。
6) 在对话框的右上边的“Voltage Range”选择中，选择“External Amplifier”中的±10000Volts的选项。
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（HVA）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）。
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）Ps、剩余极化强度Pr、矫顽电场Ec，是衡量铁电体铁电性能的重要参数。
铁电性能
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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
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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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3. 居里点
通常铁电体的自发极化只在一定温度范围内呈现，当温度高于某一临界温度TC，自 发极化消失，我们称这一过程为铁电相到顺电相的转变，一般伴随结构相变。这一 临界温度TC叫居里点或居里温度 居里温度附近具有最大介电常数，这对制造小体积大容量的电容器具有重要意义
可以利用固溶体的方法来达到改变铁电体介电性质使居里点符合使用条件： BaTiO3加入低TC的SrTiO3，使TC向低温侧移，加入高TC的PbTiO3，则使TC向高温 侧移。这些能使居里温度改变的添加剂叫移峰剂 为了克服居里点处介电常数随温度变化太快，也可以加入使峰值展宽的所谓展 宽剂或压峰剂。如在BaTiO3中加入Bi2/3SnO3使峰值展宽,致使居里点几乎消失，显
位移型铁电体：自发极化起因于一类离子的亚点阵相对于另一类亚点阵的整体 位移。这类铁电体的结构大多同钙钛矿结构及钛铁矿结构紧密相关，如BaT化的微观机理
以典型铁电材料—钛酸钡BaTiO3晶体为例，介绍其自发极化的微观模型
在 居 里 温 度 （ 120℃ ） 以 上 ， Ba2+ 离 子 处 于立方点阵顶角位置，O2-离子处于面心位 置，钛离子进入八面体空隙（体心位置）
PZT铁电材料机电性能测试研究
PZT铁电材料机电性能测试研究研究背景PZT作为一种性能优异的铁电材料，具有良好的介电、铁电、压电、热释电等效应，早已应用于非挥发性动态随机存储器的制作，在电子材料中具有重要地位。
近年来，随着微机电系统的迅速发展，PZT铁电薄膜因为具有高压电常数和高机电耦合系数等优点而受到了大家的普遍重视，被广泛应用于微型传感器与微型驱动器，如：微镜、微压电悬臂梁、微马达、微加速度计等的制作，已成为微机电系统中应用最为广泛的传感和驱动材料之一。
然而必须注意的是，将PZT薄膜应用于不同场合，对薄膜压电、介电、铁电以及其它性能有着不同要求。
例如对于高频和超高频器件，要求薄膜介电常数和高频损耗小；滤波器要求薄膜谐振频率稳定性好，机械品质因数高；而微型驱动器则要求薄膜的压电性能优异。
因此，性能表征对于系统地研究PZT薄膜的制备技术及其在实际应用中的行为是至关重要的，也是基于PZT铁电薄膜的微器件研究中必须解决的关键问题之一。
系统总体框架PZT铁电薄膜测试系统从功能上主要分为薄膜压电性能测试、介电性能测试、铁电性能测试以及温度特性测试等几部分，硬件测试电路通过控制软件与计算机实现测试指令与数据的传输与通信，如下图所示。
从硬件设计上划分，整个系统主要分为薄膜电学性能测试控制箱、薄膜压电性能测试信号拾取与反馈控制箱、薄膜压电性能测试驱动信号控制箱以及薄膜压电性能测试机械装置等几部分。
压电性能测试PZT铁电薄膜作为微机电系统中重要的传感与驱动材料，其压电性能优劣将直接影响到微器件的传感灵敏度与驱动能力，是薄膜制备技术研究中最为关注的问题之一。
由于PZT薄膜在外电场作用下产生约为自身厚度0.1%的微小形变，因此对检测系统的分辨率提出了很高要求。
将具有自驱动、自检测功能的压电微悬臂梁用于PZT薄膜微小形变检测，可以极大地简化系统设计、提高系统稳定性，并具有高达0.1nm的纵向位移检测分辨率，满足系统要求。
而这些优势的产生主要来源于压电微悬臂梁特殊的工作原理。
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
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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
铁电材料参数的测量
自发极化
对有些电介质，即使没有外加电场 也能产生极化，这种极化称为自发极化
铁电体
凡是在一定温度范围内具有自发极化特性，而且其 自发极化方向可以因外电场而反向的晶体介质称为 铁电晶体，简称铁电体。 对铁电体施加较强的外电场时，铁电体的极化强度、 与外电场不成线形变化，而在一定的温度范围内体 现双值函数，呈滞后回线的关系。此滞后回线称为 电滞回线。
铁电试样的等值电路
对差动电路要求较高，电路 比较复杂，因此一般仅在要 求较高的场合使用
与矫顽电场强度 Ec 有 关的参数 Uc
可以准确地测得Qs0和Uc，以 及Rx和Cxi，进而可以得到试 样的等值电路图
Cxi Cc C = 或 Cc =Cxi 02 C01 C02 C01 C01 Rx =C02 Rc 或 Rc =Rx C01 C02
Q Qs +Qi +Qr b c =U mC xs a sin(t ) sin(3t 3 ) sin(5t 5 ) 3 5 b c =U mC xs a sin(t ) sin(3t 3 ) sin(5t 5 ) 3 5 1 其中， =tg -1 。 C xi Rx Um U C sin t cos t m xi Rx U m C xi sin t - cos
V=
c cos 5 sin(5t 5 +5 ) 5
其中，为电导和感应极化损耗所造成的滞后角 1 1 1 1 =tg-1 ;3 =tg-1 ;5 =tg -1 C0 R0 3C0 R0 5C0 R0
示波器Y轴上的电压
U mCxs b [a cos 1 sin(t +1 ) cos 3 sin(3t 3 +3 ) C0 3 c cos 5 sin(5t 5 +5 ) 5 ]+ U mCxi cos 1 sin t - +1 C0 cos
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。
材料铁电性能的测量
(3)严禁将示波器X轴接地端及Y轴接地端错接到X轴及Y轴接线 柱上。
(4)避免测试时示波器探头与机箱金属面板接触构成回路，造成 仪器损坏。
谢谢观赏
材料铁电性能的测量
<一> 实验目的
1. 了解铁电参数试仪的工作原理和使用方法； 2. 学习用铁电参数测试仪测量电滞回线
<二> 实验装置
• ZT—Ⅰ铁电材料参数测试仪 • 铁电陶瓷样品
<三> 实验原理
电滞回线是铁电性的一个最重要的标志。下图是一个铁电材 料的典型电滞回线，假定铁电体在外场为零时，晶体中的各电畴 互相补充，晶体对外的宏观极化强度为零，晶体的状态处在图上 的O点。
④ 通过取样选择旋钮6选择取样电容C0 (用于测电滞回线，例 如，取0.1)或取样电阻R0(用于测I—V 特性，用于测I—V 特 性，例如，取 0.1kΩ)。
⑤ 根据测量要求，通过波形选择旋钮9选择相应的测量波形。
⑥ 适当调节幅度调节旋钮19及频率调节旋钮18。观察示波器 上显示出的电滞回线或I—V特性。
体材料测量步骤：
① 仪器与示波器的连接见上图。注意，其中示波器X轴应 接高压探头（将信号衰减100倍），示波器Y轴选用普通 的示波器探头。
② 将幅度调节旋钮19逆时针旋到底，防止接通电源后，信 号强度过大冲击仪器。
③ 按下薄膜/陶瓷按钮16（此时，输出信号频率分段开关12 无效）。补偿按钮17一般不要按下，因为体材料的漏导 极小，不需补偿，以免发生电滞回线的过补偿。
这里Pr是对整个晶体而言的，而线性部分的延长线与极化 轴的截距Ps(相应图中OE线段)表示电畴的自发极化强度，相当 于每个电畴的固有饱和极化强度。要把剩余极化去掉，必须再 加反向电场，以达到晶体中沿电场方向和逆电场方向的电畴偶 极矩相等，极化相消，使极化强度重新为零的电场El(相应于图 中OF线段)称为矫顽电场。如果反向电场继续增加，则所有电 畴偶极矩将沿反向定向，达到饱和(相应回中G点)。反向场强 进一步增加，曲线G至H段与B至C段相似。要是电场再返回正 向，P一E曲线便按HGIC返回，完成整个电滞回线。电场每变 化一周，上述循环发生一次。描述电滞回线最重要的参数为自 发极化强度Ps和矫顽场强度Ec。不过矫顽场强与温度和频率有 关，通常温度增加，矫顽场强下降；频率增加，矫顽场强增大。
第五章铁电材料测试
第五章铁电材料测试铁电材料测试是研究铁电材料性能和特性的关键步骤。
通过测试，可以评估材料的电学特性、热学特性以及结构特性等，为进一步研究和应用铁电材料提供重要参考。
铁电材料测试主要包括电学测试、热学测试和结构测试三个方面。
首先是电学测试。
电学测试主要是对材料的电介质性能进行评估。
常用的电学测试方法包括压电系数测试、介电常数测试以及铁电相变测试等。
压电系数测试是通过施加外界电场或机械应力来测量材料的压电响应，包括压电应变和压电势的变化。
介电常数测试是通过施加外界电场来测量材料在不同频率下的电极化程度，反映了材料对电场的响应能力。
铁电相变测试是通过改变温度或电场来观察和测量材料的相变行为，包括铁电相变温度、滞回曲线和薄膜电容等。
其次是热学测试。
热学测试主要是对材料的热学性能进行评估。
常用的热学测试方法包括热膨胀测试、热导率测试以及热电测试等。
热膨胀测试是通过测量材料在不同温度下的长度、体积变化来评估材料的热膨胀性能。
热导率测试是通过测量材料在不同温度下的热传导能力来评估材料的热导率。
热电测试是通过测量材料在温度梯度下产生的热电势来评估材料的热电效应，包括热电压和热电流等。
最后是结构测试。
结构测试主要是对材料的结构特性进行评估。
常用的结构测试方法包括X射线衍射（XRD）测试、扫描电子显微镜（SEM）测试以及穆斯堡尔谱测试等。
XRD测试可以通过测量材料的衍射图案来确定材料的晶体结构、晶格参数以及晶体的定向关系。
SEM测试可以通过扫描电子显微镜的镜头对材料的表面形貌和微观结构进行观察和分析。
穆斯堡尔谱测试可以通过测量材料中铁原子的穆斯堡尔谱来确定材料的磁性和铁电性质。
综上所述，铁电材料测试是研究铁电材料性能和特性的重要手段，通过电学测试、热学测试和结构测试等方法可以全面评估材料的性能和特性，为铁电材料的研究和应用提供可靠的数据和参考。
实验29铁电性能测量实验讲义
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。
铁电材料测试 ppt课件
Qs的波形如图5-2a所示。当a＝b＝c=……=1， α＝ β＝ γ
＝……=1时，Qs为一理想的矩形波。这相当于单畴的情况。 这时电荷Qs与电压U的关系如图5-3a所示。这是一个理想 的电滞回线。
ppt课件
8
Qs
Qs
Uc
U
Qi U
Qr U
(a)
(b)
(c)
图5-3 电荷Qs、Qi和Qr与电压的关系
C01
C01Rx
(5-1-12)
U2
Q2 C02
UmCc C02
sin t Um C02 Rc
cost
ppt课件
(5-1-13)
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当把电压U1和U2接入差动电路时，如果
Cxi Cc C01 C02
Cxi
Cc
C01 C02
C01Rx C02 Rc
Rx
Rc
C02 C01
ppt课件
28
U1
Q1 C01
U mCxs C01
[a sin(t
)
b sin(3t 3) c sin(5t 5) ]
3
5
U mCxi sin t Um cost
C01
C01Rx
(5-1-12)
U2
Q2 C02
UmCc C02
故 cos1 0.9998，在实验误差范围之内。
3 0.380 5 0.230
但当试样的电导和感应极化损耗太大，所需并联的电阻R0过小
时, UR0与QS相对应的部分在振幅和相位上将发生较大的畸变。
这时所测得的Qs和UC值均将下p降pt课。件
24
铁电综合测试仪
铁电综合测试仪使用说明书(V04.1)南京大学应用物理研究所铁电薄膜的铁电性能测量引言铁电体是这样一类晶体:在一定温度范围内存在自发极化,自发极化具有两个或多个可能的取向,其取向可能随电场而转向.铁电体并不含“铁”,只是它与铁磁体具有磁滞回线相类似，具有电滞回线，因而称为铁电体。
在某一温度以上，它为顺电相，无铁电性，其介电常数服从居里-外斯（Curit-Weiss）定律。
铁电相与顺电相之间的转变通常称为铁电相变，该温度称为居里温度或居里点Tc。
铁电体即使在没有外界电场作用下，内部也会出现极化，这种极化称为自发极化。
自发极化的出现是与这一类材料的晶体结构有关的。
晶体的对称性可以划分为32种点群。
在无中心对称的21种晶体类型种除432点群外其余20种都有压电效应，而这20种压电晶体中又有10种具热释电现象。
热释电晶体是具有自发极化的晶体，但因表面电荷的抵偿作用，其极化电矩不能显示出来，只有当温度改变，电矩（即极化强度）发生变化，才能显示固有的极化，这可以通过测量一闭合回路中流动的电荷来观测。
热释电就是指改变温度才能显示电极化的现象，铁电体又是热释电晶体中的一小类，其特点就是自发极化强度可因电场作用而反向，因而极化强度和电场E 之间形成电滞回线是铁电体的一个主要特性。
自发极化可用矢量来描述，自发极化出现在晶体中造成一个特殊的方向。
晶体中，每个晶胞中原子的构型使正负电荷重心沿这个特殊方向发生相对位移，使电荷正负重心不重合，形成电偶极矩。
整个晶体在该方向上呈现极性，一端为正，一端为负。
在其正负端分别有一层正和负的束缚电荷。
束缚电荷产生的电场在晶体内部与极化反向（称为退极化场），使静电能升高，在受机械约束时，伴随着自发极化的应变还将使应变能增加，所以均匀极化的状态是不稳定的，晶体将分成若干小区域，每个小区域内部电偶极子沿同一方向，但各个小区域电偶极子方向不同，这些小区域称为电畴或畴，畴的间界叫畴壁。
畴的出现使晶体的静电能和应变能降低，但畴壁的存在引入了畴壁能。
实验一电性能测量
实验一 电性能测量一、 实验目的（1）了解测量低电阻的特殊矛盾和解决方法；（2）了解双电桥的构造、测量原理和使用方法；（3）学习使用双电桥测量金属材料的电阻。
二、 基本原理金属与合金大都是导体，导体电阻与导体的几何尺寸有关，即：sl R ⋅=ρ 式中：l －导体的长度，s －导体的横截面积，ρ－导体的电阻率。
电阻R 随导体的几何尺寸变化，为消除几何尺寸的影响，导体的导电性一般应以电阻率ρ的大小来表示。
金属与合金的电阻率与其成分、组织及温度等因素有关。
凡是能阻碍自由电子在电场作用下发生定向移动的因素均使电阻率增加，如杂质浓度增加和温度升高等。
金属与合金的电阻都很小，所以有些电阻测量方法不适宜，如伏特－安培计法，万用电表和单电桥等。
测量金属电阻一般采用双电桥和电位差计，本实验采用双电桥。
图1双电桥测量原理图双电桥的测量原理见图1。
图中R x 为待测电阻，R N 为标准电阻，R 1，R 2，R 3，R 4为四个阻值很大的可调电阻，G 为检流计，r 为电桥电阻，E 为直流电源。
因为双电桥适于测量小电阻，因此必须考虑电路中接点电阻和导线电阻。
为使其在误差范围内忽略不计，应尽可能增大R 1，R 2，R 3，R 4的电阻值，并使4321R R R R =。
所以，双电桥测量电阻的计算公式可简化为：21R R R R N X ⋅=由于双电桥设计时考虑了接点和导线电阻等因素的影响，并采取措施加以消除，所以R X 的阻值测量精度能够满足金属的电阻测量需要。
三、实验仪器及材料QJ44型便携式双电桥不锈钢钢丝、弹簧丝、纯铜丝、铜合金片四、QJ-44型便携式双电桥的构造和使用方法QJ-44型双电桥具有结构简单，使用方便的特点，所以适合于工厂和一般实验室使用。
该仪器测量精度为0.2级，测量电阻的范围为10-4~11欧姆。
（1） QJ-44型双电桥面板布置如图2所示。
图中1－电源开关；2－检流计；3－检流计灵敏度调节旋钮；4－检流计电气调零旋钮；5－量程倍率读数开关；6－标准电阻粗调旋钮；7－标准电阻细调旋钮；8－电位端接线柱；9－电流端接线柱；10－电桥工作电源按钮开关；11－检流计按钮开关；12－外接检流计插孔13－电桥外接工作电源接线柱。
电介质的电学性能及测试方法
电介质材料的电性包括介电性、压电性、铁电性和热释电性等。
1介电性、介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，介质中电场与原外加电场（真空中）的比值即为相对介电常数，又称诱电率，与频率相关。
介电常数是相对介电常数与真空中绝对介电常数乘积。
介电常数又称电容率或相对电容率，表征电介质或绝缘材料电性能的一个重要数据，常用ε表示。
它是指在同一电容器中用同一物质为电介质和真空时的电容的比值，表示电介质在电场中贮存静电能的相对能力。
对介电常数越小即某介质下的电容率越小，应该更不绝缘。
来个极限假设，假设该介质为导体，此时电容就联通了，也就没有电容，电容率最小。
介电常数是物质相对于真空来说增加电容器电容能力的度量。
介电常数随分子偶极矩和可极化性的增大而增大。
在化学中，介电常数是溶剂的一个重要性质，它表征溶剂对溶质分子溶剂化以及隔开离子的能力。
介电常数大的溶剂，有较大隔开离子的能力，同时也具有较强的溶剂化能力。
科标检测介电常数检测标准如下：GB11297.11-1989热释电材料介电常数的测试方法GB11310-1989压电陶瓷材料性能测试方法相对自由介电常数温度特性的测试GB/T12636-1990微波介质基片复介电常数带状线测试方法GB/T1693-2007硫化橡胶介电常数和介质损耗角正切值的测定方法GB/T2951.51-2008电缆和光缆绝缘和护套材料通用试验方法第51部分：填充膏专用试验方法滴点油分离低温脆性总酸值腐蚀性23℃时的介电常数23℃和100℃时的直流电阻率GB/T5597-1999固体电介质微波复介电常数的测试方法GB/T7265.1-1987固体电介质微波复介电常数的测试方法微扰法GB7265.2-1987固体电介质微波复介电常数的测试方法“开式腔”法SJ/T10142-1991电介质材料微波复介电常数测试方法同轴线终端开路法SJ/T10143-1991固体电介质微波复介电常数测试方法重入腔法SJ/T11043-1996电子玻璃高频介质损耗和介电常数的测试方法SJ/T1147-1993电容器用有机薄膜介质损耗角正切值和介电常数试验方法SJ20512-1995微波大损耗固体材料复介电常数和复磁导率测试方法SY/T6528-2002岩样介电常数测量方法服务范围：老化测试、物理性能、电气性能、可靠性测试、阻燃检测等介电性能介电材料（又称电介质）是一类具有电极化能力的功能材料，它是以正负电荷重心不重合的电极化方式来传递和储存电的作用。
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OD 表示的极化称为剩余极化Pr （Polarization Remanent ）。
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铁电薄膜的铁电性能测量引言铁电体是这样一类晶体:在一定温度范围内存在自发极化,自发极化具有两个或多个可能的取向,其取向可能随电场而转向.铁电体并不含“铁”,只是它与铁磁体具有磁滞回线相类似，具有电滞回线，因而称为铁电体。
在某一温度以上，它为顺电相，无铁电性，其介电常数服从居里-外斯（Curit-Weiss）定律。
铁电相与顺电相之间的转变通常称为铁电相变，该温度称为居里温度或居里点Tc。
铁电体即使在没有外界电场作用下，内部也会出现极化，这种极化称为自发极化。
自发极化的出现是与这一类材料的晶体结构有关的。
晶体的对称性可以划分为32种点群。
在无中心对称的21种晶体类型种除432点群外其余20种都有压电效应，而这20种压电晶体中又有10种具热释电现象。
热释电晶体是具有自发极化的晶体，但因表面电荷的抵偿作用，其极化电矩不能显示出来，只有当温度改变，电矩（即极化强度）发生变化，才能显示固有的极化，这可以通过测量一闭合回路中流动的电荷来观测。
热释电就是指改变温度才能显示电极化的现象，铁电体又是热释电晶体中的一小类，其特点就是自发极化强度可因电场作用而反向，因而极化强度和电场E 之间形成电滞回线是铁电体的一个主要特性。
自发极化可用矢量来描述，自发极化出现在晶体中造成一个特殊的方向。
晶体红，每个晶胞中原子的构型使正负电荷重心沿这个特殊方向发生位移，使电荷正负中心不重合，形成电偶极矩。
整个晶体在该方向上呈现极性，一端为正，一端为负。
在其正负端分别有一层正和负的束缚电荷。
束缚电荷产生的电场在晶体内部与极化反向（称为退极化场），使静电能升高，在受机械约束时，伴随着自发极化的应变还将使应变能增加，所以均匀极化的状态是不稳定的，晶体将分成若干小区域，每个小区域称为电畴或畴，畴的间界叫畴壁。
畴的出现使晶体的静电能和应变能降低，但畴壁的存在引入了畴壁能。
总自由能取极小值的条件决定了电畴的稳定性。
参考资料[1]钟维烈，铁电物理学，科学出版社，1996。
[2]干福熹，信息材料，天津大学出版社，2000[3]J.F.Scoot,Ferroelectric Memories,Springer,2000。
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。
2． 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。
3． 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5410~10。
当温度高于居里点时，介电常数随温度变化的关系∞+-=εεCT T C0 （12.2-5）二、铁电体的应用铁电体具有介电、压电、热释电、铁电性质以及与之相关的电致伸缩性质、非线性光学性质、电光性质、声光性质、光折变性质、铁电记忆存储性能等等，都与其电极化性质相关，特别是电介质的热释电与铁电性质都与其自发极化相关。
由于铁电体具有上述性质，因而在诸多高技术中有着很重要的应用。
利用其压电性能可制作电声换能器，用于超声波探测，声纳，稳频振谐器，声表面波器件等；利用其热释电性质可制作红外探测器，红外监视器，热成像系统等；利用非线性光学效应可制作激光倍频、三倍频、和频、差频器；利用电光性质可制作激光电光开关、光偏转器、光调制器等；利用声光效应可制作激光声光开关、声光偏转器、声光调制器等；利用光折变效应可制作光存储器件；而铁电材料的铁电性可制作铁电记忆存储器。
铁电记忆存储器（Ferroelectric Memory ）是利用铁电体所具有的电滞回线性质。
如图12.2-1所示，当加到铁电体上电场为零时，铁电体上仍保持有一定的极化强度Pr(或-Pr),这个极化电荷的符号取决于该电体上原加场的符号。
若原来加的正场，则当外场变为零场时，铁电体上为正的剩余极化（+Pr ）而若是从负场变到零场，则此时剩余极化为负（-Pr ）。
正是利用这无外场时所有的两个稳定极化±Pr 作为计算机编码0（Pr ）和1（Pr ），这就是铁电记忆及逻辑电路的基础。
铁电记忆存储是铁电体极少数利用铁电体的铁电性能去工作，而不是其他性能（如热电、压电、电光等）的应用。
在非挥发性铁电存储器应用中，即使电源突然中断，其储存的信息也可保持。
铁电体不仅作为一个电容，而且其本身也作为一个存储单元。
铁电存储器由于其尺寸小（是通常可擦除随机只读存储器的20%），抗辐照（特别适用于军用和航天使用），存储读取速度高，容易与硅工艺相容，因而有很好的前景。
目前铁电随机存储器已有商品销售，由其为核心的智能卡及作为嵌入式芯片已用于众多家电的控制器如洗衣机、游戏机、电视频道存储记忆器、复印机、收费站刷卡等等方面，随大存储量的产品出现将在数码相机、随身听中使用，市场前景看好。
铁电材料的铁电性能最为重要的表征是其电滞回线所反映的铁电性能，包括饱和极化Ps,永久极化Pr ，矫玩场Ec 等，而对于用于铁电存储器的铁电薄膜来讲，除此之外还有漏电流k I ，铁电疲劳性能（永久极化与开关次数n ~Pr ）及铁电保持性能（永久极化与时间关系t ~Pr ）。
通常要求永久极化Pr /10C μ>2cm ，低矫玩场cm kV Ec /100<。
好的疲劳特性，在铁电翻转1010次时，永久极化很少变化。
在510秒内可较好的保持电荷，漏电流小于27/10cm A -。
三、铁电体的制备 （2）铁电薄膜的制备方法]10[目前制备铁电薄膜的方法主要有：Sol-Gel 凝胶法、MOCVD 法、PLD 法和溅射法。
在这些制备方法中，每一种都有自身的特点。
Sol-Gel凝胶法Sol-Gel凝胶法是将金属的醇盐或其他有机盐溶解于同一溶剂中，经过水解、聚合反应形成溶胶。
通过甩胶在基片上形成薄膜，经过干燥和退火处理，形成铁电薄膜。
此方法能够精确控制膜的化学计量比和掺杂，易于制备大面积的薄膜，适于大批量生产，设备简单，成本低，可与微电子工艺技术相兼容。
但这种方法易有不足之处，如膜的致密性较差，干燥处理过程中薄膜一出现龟裂现象，薄膜结构和生长速率对基片和电极材料很敏感。
迄今为止，利用该方法已制备出PT、PZT、PLZT、BT、ST、BST等多种铁电薄膜。
○2MOCVD法MOCVD法是将反应气体和气化的金属有机物前体溶液通过反应室，经过热分解沉积在加热的衬底上形成薄膜。
此法的主要优点是薄膜生长速率快，可制备大面积薄膜，能精确控制薄膜的化学组分和厚度。
但这种方法受制于金属有机源（MO）的合成技术，难以找到合适的金属有机源，仅能用于少数几中薄膜的制备。
采用此方法已制备出PT、PZT、PLZT、BT及LN等铁电薄膜。
○3PLD法PLD法是20世纪80年代发展起来的一种新型薄膜沉积技术。
它利用高功率的准分子脉冲激光照射到一定组分比的靶材上，使靶表面的数十米厚的物质转变为羽辉状等离子体，沉积到衬底上形成薄膜。
这种方法的主要优点是：能源无污染；薄膜成分与靶材完全一致，因而可严格控制；衬底温度较低，可获得外延单晶膜；成膜速率快。
但这种方法难以制备大面积均匀性好的薄膜。
目前利用PLD方法已制备了PT、PZT、BTO、及KTN等铁电薄膜。
○4溅射法溅射法包括直流溅射、射频磁控溅射和离子束溅射。
溅射法的主要优点是工艺比较成熟，沉积温度较低，可获得外延膜。
但这种沉积膜速率较慢，组分和结构的均匀性比较难于控制。
四、实验仪器五、测量仪简介1、铁电性能综合测试仪硬件结构铁电薄膜材料的测量仪主要包括可编程信号源、微电流放大器、积分器、放大倍数可编程放大器、模/数转换器、数/模转换器、微机接口部分、微机和应用软件等部分组成。
系统框图见图12-2-3，硬件系统由一台计算机、一片带A/D 、D/A 及开关量控制输出功能的计算机接口卡和信号调理电路部分组成。