铁电性实验

铁电薄膜铁电性能的表征

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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