铁电性实验
铁电体的第一性原理研究进展PPT课件
国内外研究现状
Cohen首次采用第一性原理计算BaTIO3和PbTIO3的电子密度,表明Ti的3d电子 和O的2P电子波函数有显著的交叠,而且铁电情况下的交叠比顺电情况更强, 进而得出结论:对于ABO3结构的钙钦矿型铁电体,B离子的d电子与氧离子的 2p电子之间存在比较强的轨道杂化,这种轨道杂化抑制了短程排斥力从而使 铁电性得以稳定。
4.集成铁电体的研究(铁电薄膜与半导体集成)：
由于铁电存储器的诸多优点,近几年来人们对铁电薄膜与半导体集成投入了大量的研究。 铁电薄膜的极化具备两个不同的稳定状态(剩余极化强度士Pr),可分别作为信息存储的“0‘’ 和,‘l”代码。早在50年代人们就开始作了这方面的研究。当时存在的问题主要为:块材要求 电压很高,不能满足应用的要求;电滞回线的矩形度差,易发生读写错误;疲劳特性很差。80年 代以来,由于铁电薄膜制备技术的改进,新的铁电材料及电极材料的出现,铁电存储器又重新 活跃起来。
2．Gaussian98程序包。Gaussian98程序包中包含许多种计算方法，包括半经验及第一性 原理计算方法等。它是一个功能全面的计算程序包。它的主要处理对象是有机大分子体系， 计算时主要对单一大分子体系的各种性质进行计算。能给出有机分子的振动模式及反应过 程的信息。它的缺点是对含有重金属原子体系的计算几乎无法进行。
研究热点
尺寸效应和表面界面效应
金属或半导体电极间的铁电薄膜 铁电聚合物和复合材料的研究
写在最后
成功的基础在于好的学习习惯
The foundation of success lies in good habits
17
谢谢聆听
·学习就是为了达到一定目的而努力去干, 是为一个目标去 战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折
电偶极子在铁电材料中的作用 相关实验
电偶极子在铁电材料中的作用一、引言在当今材料科学领域中，铁电材料因其独特的电学性质而备受瞩目。
电偶极子在铁电材料中起着至关重要的作用，不仅对材料的物理性质产生影响，还在许多相关实验中扮演着重要角色。
本文将从电偶极子的基本性质入手，以及其在铁电材料中的作用和相关实验进行深入探讨。
二、电偶极子的基本性质1. 电偶极子的概念电偶极子是指在一个物体内部，其正负电荷中心不重合，从而产生一个电偶极矩的情况。
2. 电偶极子的构成电偶极子通常由正负电荷构成，它们之间的距离和电荷量决定了电偶极矩的大小和方向。
3. 电偶极子的影响电偶极子不仅可以在外电场作用下发生旋转，还可以在物质内部形成偏压，从而影响材料的电学性质。
三、电偶极子在铁电材料中的作用1. 铁电材料的特点铁电材料具有在外电场作用下产生自发极化的特点，这一特性与内部电偶极子密切相关。
2. 电偶极子对铁电材料的影响电偶极子在铁电材料中的自发极化过程中起着决定性作用，它可以导致材料的电介质常数增大、电容量增加等特性的发生。
3. 铁电材料的相变电偶极子在铁电材料中的自发极化还可以引发相变现象，例如铁电-顺电相变和铁电-铁磁相变等。
四、相关实验1. 电偶极子的观测和测量科研人员通过各种手段对铁电材料中的电偶极子进行观测和测量，例如X射线衍射和电子显微镜等技术。
2. 外部电场的作用实验中常常通过施加外部电场的方式来研究电偶极子的行为，以及其对铁电材料性质的影响。
3. 物性测量在实验室条件下，科研人员还可以通过测量铁电材料的电介质常数、电容量等物性参数来揭示电偶极子的行为。
五、总结与展望电偶极子在铁电材料中的作用对材料的电学性质有着至关重要的影响，相关实验也为深入理解电偶极子的行为提供了重要依据。
在未来，科学家们还可以通过更加先进的实验手段和理论模型，深入探索电偶极子的奥秘，进一步拓展铁电材料的应用领域。
六、个人观点电偶极子在铁电材料中的研究是一项非常有挑战性和前景广阔的工作。
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
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由式 （ ） （ ） ３ 和 ６ 可知 ， 与
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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
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。
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。
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.。
铁电材料BaTiO3的制备及其压电、光伏特性实验报告
铁电材料BaTiO3的制备及其压电、光伏特性实验报告调研报告一、文献综述1.背景：铁电材料是指具有自发极化，而且在外加电场下，自发极化发生转向的电介质材料，它是热释电材料的一个分支。
铁电材料由于其铁电性、介电性、压电性、热释电效应、热电效应、电光性质等特性，而广泛应用于各个领域(见下表1),如在通讯系统、微电子学、光电子学、集成光学和非机械学等领域有着重要的或潜在的应用,从而引起国内外学者的广泛研究。
表1.铁电薄膜材料的应用性质主要叁件介电性电容器，动态随机存取存储器(DRAM)压电性声表面波(SAW)器件、微型压电马达、微型压电骡动器热科电性热释电探测罂及阵列铁电性铁电HI机存取存储器(FRAM)、铁电场效应管电光效应光调制嘱，光波导声光效应声光偏转器光折交效应光注制器.光全息存储器非线性光学效应光学倍频器铁电薄膜材料根据成分可分为三大类，包括锯酸盐系、钛酸盐系、铝酸盐系，其中典型铁电材料有:钛酸钢(BaTiO3)、磷酸二氢钾(KH2Po4)等，然而BaTi03是一种强介电化合物材料，它具有很高的介电常数和较低的介电损耗，是电子陶瓷中使用最广泛的材料之一，它被称作“电子陶瓷工业的支柱”。
同时该材料是最早研究的钙钛矿结构的铁电材料，因此通过对该材料的学习、制备和性能的检测，对铁电材料领域的相关知识的了解有着重要的意义。
前人们对钛酸钢的制备和性能有着很多的研究，FI前对钛酸钢材料的研究已经往微型化发展，制备成铁电薄膜材料，同时研究不同的制备方法、元素掺杂等对钛酸钢薄膜材料性能的影响，在这基础上，研究外界条件(外加磁场等)对铁电薄膜材料的物理调控，渐渐的利用其性质应用于器件中(光伏器件、电容器等)。
2.制备方法与结构性质：结构性质：电介质材料按其晶体对称性可分为32种点群，在这32种晶体学点群中，有21种不具有对称中心，其中20种呈现压电效应。
而这20种压电性晶体中的10种具有受热而自发极化现象，因其是受热而引起电极化状态的改变，故这10种晶体又称为热释电晶体。
铁电体居里温度的测定
铁电体居里温度的测定在没有外施电场的情况下，晶体的正、负电荷中心也不重合而呈现电偶极矩，这种现象称为自发极化。
凡是呈现自发极化，并且自发极化的方向能因施加外场而改变的晶体称为铁电体(ferroelectrics)。
常见的铁电体有下面三类：罗息盐型，如NaK（C4H4O6）•4H2O及LiNH4（C4H4O6）•H2O；KDP型如KH2PO4、RbH2PO4、CsH2AsO4；钙钛矿型，如BaTiO3、SrTiO3等。
若按形成铁电性的机理分类，可把铁电体分为两类：（1）位移型铁电体，钙钛矿型铁电体就属于这一类。
这一类铁电性来自正负离子的相对位移。
（2）有序－有序型铁电体，罗息盐及KDP型铁电体均属此类。
这一类铁电体都有氢键，氢核（质子）在氢键上有两个位置，分别靠近氢键的两端。
当氢核在此两位置上任意分布（无序分布）时，尽管这时晶体内也存在固有电偶极矩，但是这些固有电偶极矩的方向是杂乱无章的，因此整个晶体没有自发极化强度。
当氢键在两个位置上有序（有规则）分布时，这些固有电偶极矩的方向一致，引起自发的极化强度，也即引起铁电性。
铁电体的居里温度是铁电体发生相变时的相变温度，它是表征铁电的一个重要物理量。
通常的测试方法种类很多，例如，电容电桥法、比热法等。
本实验利用自制的仪器测试铁电体的居里温度，还可以样品的分子的电偶极矩进行估算，具有物理概念清晰、测试速度快、直观等优点。
一、实验原理：1、铁电体的性质在一定的温度范围内，某些晶体，如罗息盐（NaKC4H4O6•4H2O），钛酸钡（BaTiO3）等，其正负离子的排列不对称，因而晶胞正负电荷的重心不相重合，具有一点的电偶极矩p。
这些电偶极矩在某些区域之内方向一致，形成所谓铁电畴（ferroelectric domain）。
电畴与电畴之间的界面区域叫做畴壁。
因为铁电体的固有电偶极矩只能沿某些晶轴方向，铁电体的电畴也只能以几种形式存在。
例如对于铁电体BaTiO3，只有相互垂直的两个极化方向，因此，它只有两种电畴壁，分别为180º畴壁90º畴壁。
莫尔铁电原理
莫尔铁电原理莫尔铁电效应（Möbius ferroelectric effect）是指一种特殊的铁电效应，它是在莫尔磁场下铁电材料电极化方向发生180度旋转的现象。
这一效应被首次预言于1997年，以对莫尔曲线的描述来命名。
莫尔铁电效应具有重要的理论和实验价值，并在材料科学和器件应用上都有着广泛的研究。
莫尔铁电原理基于铁电材料的极化形成与输运行为的相互作用。
传统的铁电效应是通过外加电场或者应变来调控材料的电极化方向。
而莫尔铁电效应则是通过外加磁场来实现电极化方向的转变。
这样的特性使得莫尔铁电效应在磁电耦合材料和器件中有着广泛应用的潜力。
理论上，莫尔铁电效应是由微观的自发电子电荷重定向引起的。
当铁电材料处于莫尔磁场下时，晶格中的电子开始呈现“花生壳”（peanut-shell）状的分布，即电子的动能和自旋角动量生成一个莫尔物态，后者具有地球环绕一周而成一多面体的特性。
这个微观结构的重排导致了材料中的电极化方向的旋转，从而产生了莫尔铁电效应。
莫尔铁电效应的实验观察需要一种高灵敏度的电子显微镜来进行研究。
通过与传统应变段的铁电效应相比较，莫尔铁电效应的观测更加困难，因为需要额外的磁力显微镜来提供磁场。
实验证实了莫尔铁电效应在某些铁电材料中的存在，为进一步研究莫尔铁电效应提供了实验基础。
莫尔铁电效应具有许多重要的应用前景。
首先，莫尔铁电效应可以用来设计全新的磁电耦合材料和器件，实现更高效的能量转换和存储。
其次，莫尔铁电效应可以用于制备高灵敏度的传感器和开关元件，提高设备的性能。
此外，莫尔铁电效应还可以用于设计新型的存储器和计算单元，为未来的信息科学和计算技术提供新的思路。
虽然莫尔铁电效应在当前的研究中已经取得了一些重要的突破，但是仍然存在许多待解决的问题。
首先，莫尔铁电效应具体的机理和原理尚不完全清楚，需要进一步的理论研究来解释。
其次，当前的实验观察还被限制在极低温度和高磁场条件下，限制了其在实际应用中的可行性。
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。
铁电材料实验报告
铁电材料实验报告一、引言铁电材料是一类具有特殊性质的材料，在应用领域具有重要意义。
本次实验旨在了解铁电材料的基本特性以及其在电学和光学领域中的应用。
二、实验目的1. 了解铁电材料的基本特性；2. 掌握铁电材料的制备方法；3. 探究铁电材料在电学和光学领域的应用。
三、实验设备和材料1. 设备：电源，示波器，多用电表；2. 材料：铁电材料A，铁电材料B，导线，光源，反射镜，样品支架。
四、实验步骤1. 铁电材料的基本特性实验1. 将铁电材料A接入电源，通过示波器观察电压-时间曲线；2. 测量铁电材料A的矫顽场和饱和极化强度。
2. 铁电材料的制备方法实验1. 准备铁电材料B的原料，并按照制备工艺将其制备成铁电材料B；2. 对制备的铁电材料B进行物理性质测试。
3. 铁电材料的应用实验1. 将铁电材料A与导线连接，接入电源，测量其导电性能；2. 使用光源和反射镜对铁电材料A进行光学实验，观察其光学性质。
五、实验结果与分析1. 铁电材料的基本特性实验结果分析根据测量结果，铁电材料A在施加电场的情况下会出现极化现象，并且在达到一定的电压时会发生矫顽，这表明铁电材料A具有铁电特性。
2. 铁电材料的制备方法实验结果分析通过制备的铁电材料B的物理性质测试，可以得知其晶体结构和组分成分是否符合要求，并且通过对比实验结果可以评估制备工艺的效果。
3. 铁电材料的应用实验结果分析铁电材料A在导电性能实验中表现出良好的导电性能，在光学实验中显示出对特定波长的光有较好的吸收能力，这表明铁电材料A在电学和光学领域具有潜在的应用前景。
六、实验结论1. 铁电材料具有特殊的铁电特性，能够在电场作用下发生极化和矫顽现象；2. 铁电材料的制备需要严格控制晶体结构和成分组成；3. 铁电材料在电学和光学领域中具有潜在的应用前景。
七、实验总结本次实验通过对铁电材料的基本特性、制备方法和应用领域的研究，深入了解了铁电材料的特性及其在实际应用中的潜力。
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。
铁电性
电介质的极化外电场作用下，电介质显示电性的现象。
在电场的影响下，物质中含有可移动宏观距离的电荷叫做自由电荷；如果电荷被紧密地束缚在局域位置上，不能作宏观距离移动，只能在原子范围内活动，这种电荷叫做束缚电荷。
理想的绝缘介质内部没有自由电荷，实际的电介质内部总是存在少量自由电荷，它们是造成电介质漏电的原因。
一般情形下，未经电场作用的电介质内部的正负束缚电荷平均说来处处抵消，宏观上并不显示电性。
在外电场的作用下，束缚电荷的局部移动导致宏观上显示出电性,在电介质的表面和内部不均匀的地方出现电荷,这种现象称为极化，出现的电荷称为极化电荷。
这些极化电荷改变原来的电场。
充满电介质的电容器比真空电容器的电容大就是由于电介质的极化作用。
电介质的极化机制①电子极化，是在电场作用下原子核与负电子云之间相对位移，它们的等效中心不再重合而分开一定的距离l形成电偶极矩p e＝el(l由负电中心指向正电中心,e是电荷量,见电偶极子)。
当电场不太强时,电偶极矩p e同有效电场成正比,p e=αe E,式中αe称为电子极化率。
②离子极化又称为原子极化，是在正负离子组成的物质中异极性离子沿电场向相反方向位移形成电偶极矩p a。
p a与有效电场成正比,p a=αa E，αa称为离子极化率，这两种极化都同温度无关。
③固有电矩的取向极化，某些电介质分子由于结构上的不对称性而具有固有电矩p。
在无外电场时，由于热运动,这些分子的取向完全是无规的，电介质在宏观上不显示电性。
在外电场的作用下，每个分子的电矩受到电场的力矩作用,趋于同外场平行,即趋于有序化；另一方面热运动使电矩趋于无序化。
在一定的温度和一定的外电场下，两者达到平衡。
固有电矩的取向极化也可以引入取向极化率αd描述,当电场强度不太大而温度不太低时,，k是玻耳兹曼常数，T是热力学温度。
这种极化同温度的关系密切。
④界面极化，由于电介质组分的不均匀性以及其他不完整性，例如杂质、缺陷的存在等，电介质中少量自由电荷停留在俘获中心或介质不均匀的分界面上而不能相互中和，形成空间电荷层，从而改变空间的电场。
铁电体的电滞回线实验报告
铁电体电滞回线及居里温度的测量自从1921年了J.Valasek 发现罗息盐是铁电体以来，迄今为止陆续发现的新铁电材料已达一千种以上。
铁电材料不仅在电子工业部门有广泛的应用，而且在计算机、激光、红外、徽波、自动控制和能源工程中都开辟了新的应用领域。
电滞回线是铁电体的主要特征之一，电滞回线的测量是检验铁电体的一种主要手段。
通过电滞回线的测量可以获得铁电体的一些重要参数。
在居里温度处，铁电材料的许多物理性质将发生突变，因此居里温度的测量对研究铁电体的性质有重要的的意义。
通过本实验可以了解铁电体的基本特性，掌握电滞回线及居里温度的一种测量方法。
一、实验原理1. 电滞回线。
我们知道，全部晶体按其结构的对称性可以分成32类（点群）。
32类中有10类在结构上存在着唯一的“极轴”，即此类晶体的离子或分子在晶格结构的某个方向上正电荷的中心与负电荷的中心重合。
所以，不需要外电场的作用，这些晶体中就已存在着固有的偶极矩S P ，或称为存在着“自发极化”。
如果对具有自发极化的电介质施加一个足够大（如kV/cm)的外电场，该晶体的自发极化方向可随外电场而反向，则称这类电介质为“铁电体”。
众所周知，铁磁体的磁化强度与磁场的变化有滞后现象，表现为磁滞回线。
正如铁磁体一样铁电体的极化强度随外电场的变化亦有滞后现象，表现为“电滞回线”，且与铁电体的磁滞回线十分相似。
铁电体其它方面的物理性质与铁磁体也有某种对应的关系。
比如电畴对应于磁畴。
激发极化方向一致的区域（一般μm 10108--）称为铁电畴，铁电畴之间的界面称为磁壁。
两电畴反向平行排列的边界面称为180°磁壁，两电畴互相垂直的畴壁称为90°畴壁。
在外电场的作用下，电畴取向态改变180°的称为反转，改变90°的称为90°旋转。
晶体中每个电畴方向都相物的则称为单畴，若每个电畴的方向各不相同，则称为多畴。
电滞回线是铁电体的主要特征之一，电滞回线的测量是检验铁电体的一种主要手段。
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。
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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
y x 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
d S C x 0εε=
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 y
x 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 y y = （12.2-4）
因Ｓ与Ｃｙ都是常数，故Ｖｙ与Ｐ成正比。
2.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，已发现铁电体存在二种相变：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，其他则称为转变温度。
3.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ε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
∞+-=εεC T T C
0 （12.2-5）
实验仪器
TD-88A 型铁电性能综合测试系统。
实验内容
目前，测量电滞回线的方法较多。
其中测试方法简单、应用最广泛的是Sawyer-Tower 电路[2][3]，如图12-2-4所示，其中虚框部分为铁电薄膜样品的等效电路，Cxi 为线性感应等效电容， Rx 为铁电薄膜样品的漏电导及损耗等效电阻，Cxs 为与自发极化反转对应的非线性等效电容。
在理想情况下，若只考虑Cxs 的作用（认为Cxi 与Rx 开路），很容易证明Uy 与铁电薄膜样品的极化强度P 成正比[2]。
但一般情况下，铁电薄膜样品同时具有漏电导和线性感应电容，如果要获得铁电薄膜样品的本征电滞回线，必须在测量过程中对样品的漏电导和线性感应电容进行合适的补偿，但这在实际测量中是较难处理的。
另外，此电路中外接积分电容 Co 的选取和精度会影响测试的精确度，当然给铁电薄膜样品提供的信号源U 的频率对测试 结果也有很大的影响，这样就较难对测试结果进行标定和校准。
图12-2-4 Sawyer-Tower 电路（虚框中为铁电薄膜样品等效电路）
y
电流放大器积分器
图12-2-5 电滞回线测量电路（虚框中为铁电薄膜样品等效电路）
我们选用如图12-2-5所示的测量电路，此电路由信号源U 、被测样品、电流放大器和积分器组成。
信号源U 提供给被测样品的电流经电流放大器放大再经积分器积分后得到Uy 进入测量系统。
即使被测样品端加的电压U 为零，积分器上仍然维持电压，被测样品端是虚地的，因此此测试电路可称为虚地模式。
此电路取消了外接电容Co ，可减小寄生元件的影响。
此电路的测试精度仅取决于积分器积分电容C1的精度，减少了对测试的影响环节，比较容易定标和校准，并且能实现较高的测量准确度。
步骤：
测量铁电薄膜样品的电滞回线，画出电滞回线及得到铁电薄膜材料的饱和极化±Ps 、剩余极化±Pr 、矫顽场±Ec 、电容量C 等参数。
注意事项
1） 必须先连接好测试线路并确认无误（注意千万不要将信号源短路）后再打开测试仪电源。
2） 当使用高电压信号源时，注意安全，测试操作时不能接触测试架。
测试完成后先关闭测
试仪电源。
实验数据及处理
1.(Vx)max=700V,(Vx)min=-700V 时，
由图像可求出-Vc =-489.116V ， 实验时由软件得出-Vc=-476.257V
Pr=52.473uc/CM 2,
Pr=52.473 uc/CM 2
Ps=57.236 uc/CM 2 Ps=61.889 uc/CM 2
2.(Vx)max=750V,(Vx)min=-750V时，
由图像可求出-Vc=-523.622V，实验时由软件得出-Vc=-510.498V Pr=53.252uc/CM2, Pr=53.252uc/CM2
Ps=60.113 uc/CM2 Ps=62.733 uc/CM2 3.(Vx)max=800V,(Vx)min=-800V时，
由图像可求出-Vc=-500.120V，实验时由软件得出-Vc=-511.719V Pr=57.084uc/CM2, Pr=57.083uc/CM2
Ps=59.772 uc/CM2 Ps=61.629 uc/CM2 4.(Vx)max=850V,(Vx)min=-850V时，
由图像可求出-Vc=-490.871V，实验时由软件得出-Vc=-475.952V Pr=60.071uc/CM2, Pr=60.071uc/CM2
Ps=60.071uc/CM2 Ps=63.708 uc/CM2 5.(Vx)max=900V,(Vx)min=-900V时，
由图像可求出-Vc=-495.335V，实验时由软件得出-Vc=-504.150V Pr=59.811uc/CM2, Pr=59.811uc/CM2
Ps=59.811uc/CM2 Ps=63.643 uc/CM2 6.(Vx)max=950V,(Vx)min=-950V时，
由图像可求出-Vc=-490.473V，实验时由软件得出-Vc=-494.324V Pr=60.331uc/CM2, Pr=60.331uc/CM2
Ps=60.331uc/CM2 Ps=64.097 uc/CM2 7.(Vx)max=1000V,(Vx)min=-1000V时，
由图像可求出-Vc=-510.339V，实验时由软件得出-Vc=-519.714V Pr=58.902uc/CM2, Pr=58.902uc/CM2
Ps=58.902uc/CM2 Ps=63.188uc/CM2。