铁电材料测试.
铁电材料的制备及其铁电性能研究
铁电材料的制备及其铁电性能研究铁电材料是指具有铁电性质的材料，铁电性质是指在外加电场下，材料会发生极性翻转，即正负极性相互转换。
这种性质使铁电材料广泛应用于存储器、传感器、激光器、换能器、电容器等领域。
本文将介绍铁电材料的制备方法及其铁电性能研究。
一、铁电材料的制备方法1.溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是一种低温热处理制备铁电材料的方法。
首先，将合适比例的金属盐溶解在水和有机物的混合液中，然后使之脱水凝固，得到凝胶。
接着，将凝胶热处理干燥，形成透明的玻璃状材料。
该方法制备的铁电材料具有良好的机械性能和化学稳定性。
2.物理气相沉积法物理气相沉积法是一种高温热处理制备铁电材料的方法。
在该方法中，通过激光或者热蒸发等方式将材料原子或分子蒸发，沉积在基底上，形成薄膜结构。
该方法具有工艺简单、生产效率高等优点，可以制备出高质量的铁电薄膜材料。
3.气相沉积法气相沉积法是一种制备铁电材料薄膜的方法，通过气体反应沉积铁电薄膜。
该方法可以制备出大面积、高质量、低成本的铁电薄膜。
在该方法中，可以通过改变反应条件来控制铁电薄膜的性能，如薄膜的微观结构和组分等。
二、铁电材料的铁电性能研究研究铁电材料的铁电性能是了解材料电性能的一种重要手段。
以下是常用的铁电性能研究方法。
1.压电测试压电测试是通过在机械应力下测量铁电材料的电感生成能力来研究铁电性质。
在该测试中，将电极夹在铁电材料两端，给材料施加机械压力后，测量材料中电极间电势差的变化，进而计算出电感。
2.电容测试电容测试是一种测量铁电材料铁电性能的方法。
在该测试中，先将材料置于电场中，并在电场强度不断增大的过程中测量材料的电容变化，进而计算出材料的介电常数与电容变化量之间的关系。
通过电容测试可以了解材料的介电常数、铁电极化强度和耐电压强度等参数。
3.极化测试极化测试是一种研究材料极化行为的方法。
该测试中，通过在外场的作用下，测量材料中电极间电势差，进而计算出铁电极化强度的大小。
铁电的测定
铁电薄膜的电滞回线测量一、实验内容及目的1）测量铁电薄膜样品的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等参数。
2）了解什么是铁电体，什么是电滞回线及其测量原理和方法。
3）了解铁薄膜材料的功能和应用前景。
二、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,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1 铁电体的电滞回线三、实验仪器四、实验步骤1、样品的安装样品盒中，连接样品的一对电极，其中的一个电极为平台，样品置放其上，另一电极为探针，将样品压在样品台上。
将铁电样品平稳放置在样品加上。
2、测量1）安装好样品后，关闭样品盒，接通样品盒电源（样品台上的红色指示灯亮）。
2）点击程序界面上的“显示”按钮，在仪器面板上，从小到大调节极化电压旋钮，同时注意观察测量得到的曲线。
3)若极化电压调到200V还没有得到电滞回线，需将电压调回最小，再点击程序界面中的“电压提升”，继续调节极化电压，得到较满意的电滞回线。
3、记录数据得到满意的曲线后，直接点击程序界面中的“记录”按钮，记录完一个周期后自动关闭样品电源并停止测量。
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。
铁电电介质陶瓷材料介电常数-温度特性曲线的测定
实验 铁电电介质陶瓷材料介电常数-温度特性曲线的测定一、目的要求1．掌握铁电电介质陶瓷材料介电常数-温度特性的测试原理和方法；2．通过实验，深刻理解铁电电介质陶瓷材料的居里温度的概念、相变扩散的概念、以及铁电陶瓷材料改性研究的意义；3．掌握电桥法测定电介质材料低频介电性能的常用仪器、参数设定、以及影响测试精度的因素。
二、基本原理铁电电介质陶瓷材料是制备“2类瓷介固定电容器”、各种压电陶瓷器件等的主要材料。
以“2类瓷介固定电容器”为例，其基本参数之一，即为电容量温度特性，根据国家标准的规定，2类瓷介固定电容器的进一步分类也是依据电容量温度特性而进行的，而该参数设计的主要依据是所选用的电介质的介电常数温度特性。
铁电电介质陶瓷材料一般具有一个以上的相变温度点，其中的铁电相和顺电相之间的转变温度被称为是居里温度，介质的介电常数随着温度的变化曲线（ε-T 曲线）显示，随着温度的升高，在相变温度附近，介电常数会急剧增大，至相变温度处，介电常数值达到最大值；如果所对应的相变温度是居里温度，那么随着温度的继续增加，介电常数随温度的升高将按照居里-外斯（Curie-Weiss ）定律的规律而减小。
居里-外斯定律为：CC T T εε∞=+− （1） （1）式中：C 为居里常数；T C 为铁电居里温度（对于扩散相变效应很小的铁电体，该温度通常比实际的ε-T 曲线的峰值温度小10º左右）；ε∞表示理论上当测量频率足够大时所测定的只源自快极化贡献的介电常数。
铁电电介质陶瓷材料的ε-T 曲线的另一个特点是，与单晶铁电体相比，在居里峰两侧一定高度所覆盖的温度区间比较宽，该温度区间称为居里温区，即对于铁电陶瓷来说，其介电常数ε具有按居里区展开的现象，该现象被称为相变扩散。
通过对材料的显微组织结构的调整和控制，可以改变介质的居里温度，同时可以控制材料的相变扩散效应，从而达到调整和控制介质的居里温度和在一定温度区间内的介电常数-温度变化率的目的。
铁电陶瓷材料电滞回线的准静态测试方法
铁电陶瓷材料电滞回线的准静态测试方法
铁电陶瓷材料是一种特殊的材料，具有独特的电学性质。
其中最重要的性质之一就是电滞回线。
电滞回线是指在外加电场作用下，铁电陶瓷材料的极化强度随电场强度的变化曲线。
这种曲线具有明显的非线性特征，是铁电陶瓷材料的重要特征之一。
因此，准确测量铁电陶瓷材料的电滞回线是非常重要的。
常用的铁电陶瓷材料电滞回线测试方法有两种：动态测试和准静态测试。
动态测试是指在高频交变电场下测量电滞回线，其优点是测试速度快，但缺点是测试结果受到外界干扰较大，精度较低。
准静态测试是指在直流电场下测量电滞回线，其优点是测试结果精度高，但测试速度较慢。
下面我们来介绍一种准静态测试方法。
首先，需要准备一台电源和一台数字万用表。
将电源连接到铁电陶瓷材料的两端，设置电压值，并记录下电压值和电流值。
然后，逐步增加电压值，每隔一段时间记录下电压值和电流值。
当电压值达到一定值时，开始逐步减小电压值，同样每隔一段时间记录下电压值和电流值。
最后，将记录下的电压值和电流值绘制成电滞回线图。
需要注意的是，在测试过程中，应尽量避免外界干扰，如电磁波干扰、温度变化等。
此外，测试时应注意安全，避免电压过高造成危险。
准确测量铁电陶瓷材料的电滞回线是非常重要的。
准静态测试方法是一种精度较高的测试方法，可以得到准确的电滞回线图。
但测试速度较慢，需要注意安全和避免外界干扰。
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。
铁电材料参数自动测试系统
A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirementsfor the Degree of Master of EngineeringAutomatic System for Measuring the Electrical Parameters of Ferroelectric MaterialsCandidate ：Han ZhenMajor ：Microelectronics and Solid State Electronics Supervisor：Professor Zeng YikeHuazhong University of Science and TechnologyWuhan 430074, P.R. ChinaMay, 2008独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
保密□，在_____年解密后适用本授权书。
本论文属于不保密□。
（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日摘要铁电材料的电性能主要由电滞回线、I-V特性和开关特性等反映出来。
铁电材料在电极化强度与电场强度关系上呈现电滞回线，在电流与电压关系上呈现I-V特性，在电流与时间关系上呈现开关特性。
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。
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
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。
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。
铁电测试仪原理
铁电测试仪是用于测量材料铁电性质的仪器。
它基于铁电材料的特殊性质，利用电场的作用来测量材料的铁电极化行为。
以下是一种常见的铁电测试仪的原理：
电场施加：铁电测试仪通过电极系统施加一个外部电场到待测试的铁电材料上。
这个电场可以是恒定电场或者交变电场，取决于测试的要求和仪器的设计。
极化测量：当外部电场施加到铁电材料上时，铁电材料会发生极化，即在材料内部形成正负极化的电荷分布。
铁电测试仪通过电极系统测量材料的极化电荷或极化电流。
极化曲线记录：铁电测试仪会记录电场与材料极化之间的关系，即所谓的极化曲线。
通过改变外部电场的大小和方向，并测量相应的极化电荷或电流，可以得到一系列的极化曲线。
铁电性质分析：通过分析极化曲线，可以获得材料的铁电性质。
常见的分析参数包括饱和极化强度、残余极化强度、压电系数、铁电相变温度等。
需要注意的是，不同的铁电测试仪可能具有不同的设计和测量原理，但核心的原理仍然是基于施加电场并测量材料的极化行为。
此外，铁电测试仪还可能具备其他功能，如温度控制、频率扫描等，以满足不同的测试需求和应用场景。
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。
铁电材料Ⅰ—Ⅴ特性测试系统
第２ ７卷 第 １ 期 １ ２０ ０ ６年 １ 月 １
仪 器 仪 表 学 报
Ｃ ｉｅ ｅ ｏ ｒ ａ ｏ ｃ ｎ ｉ ｃ ｎ ｔｕ ｎ ｈｎ ｓ ｕ ｎ ｌ ｆ ｉ ｔ ｓｒ ｍｅ ｔ Ｊ Ｓ ｅ ｆ Ｉ ｉ
Ｖ０ ． ７ Ｎｏ １ １２ ． １ ＮＯ ．２ Ｏ ｖ Ｏ６
Ｋｅ ｒ ｓ ｆ ｒｏ ｌｃｒｃｍａ ｅ ｉｌ ＩＶ ｈ ｒ ｃ ｅｉｔ ｍｅ ｓ ｒｍ ｅ ｔ ｄ ｔ ｃ ｕｓｔ ｎ ｙｗｏ ｄ ｅ ｒ ｅｅ ｔｉ ｔｒａ — ｃ ａ ａ ｔｒｓｉ ｃ ａ ｕ ｅ ｎ ａ ａａ ｑ ｉｉ ｏ ｉ
要的。
１ 引
言
２ 铁 电材料 Ｉ — Ｖ特性测量及影响
电滞 回线是铁 电体 的重要特征 和重要判据之一 ， 通 过 电滞回线可以求得 自发极化强度 、 剩余极化强度 Ｐ ｒ 和矫顽场强 ＆ 等铁 电参数 。大多数铁 电材料 的 、
２１ １ ． － Ｖ特 性
通常使用周期性三角波信号来测量铁电材料 的 Ｉ － Ｖ 特性｜ 。图 １ ６ 】 为其标准 Ｉ — Ｖ特性 曲ห้องสมุดไป่ตู้ 。由图 １ 可计算 出
大信号下的矫顽 场 Ｅ （ 电材料 的矫顽场 Ｅ — ／ ） ｃ铁 ｃ ｄ。 其中 、 定义为 Ｉ ／ ｒ ＿ Ｖ特性 曲线中最大 电流值对应 的电压 值； ｄ为厚度 。图 中的 Ｉ — Ｖ特性 曲线 只有铁 电材料 才具 有 。因此 ， 有无铁电体 Ｉ ＿ Ｖ特性 曲线 是判断材料 是否为
铁 电材 料 Ｉ 特 性 测试 系统 — Ｖ
曾亦可 陈 刚 张洋洋 邓传益 俞 丹
（ 华中科技大学电子科学与技术系 摘要 武汉 ４ ０ ７ ） ３ ０ ４
本 文介 绍 了铁 电材料的 Ｉ — Ｖ特性及测 量原理 、 测试 系统 的组 成 ， 给出 了测试 软件 的流程 图 。用该测试 系统 对 Ｐ Ｔ ０ 并 Ｚ １
铁电材料参数的测量
在电滞回线的饱和支会出 现一些曲折畸变的毛刺。 通常认为这些毛刺是由电 路中的寄生振荡引起。
电路对比
高压 相移 毛刺
电阻分压器（适于低频、 低压测量）
电容分压器（适于 高频测量）
感应极化过程所提供的 电荷为Qi ，它与电压U 成正比
全电荷Q由这三部分叠 加而成，Q~U构成电滞 回线
电畴反转过程所提供的 电荷为Qs ，理想情况 下是一矩形波
电导和感应极化损耗所 提供的电荷为Qr ，它与 电压的关系是一椭圆。
b c Q U mCxs a sin(t ) sin(3t 3 ) sin(5t 5 ) 3 5 U U mCxi sin t m cos t Rx
P
V
i
极化强度P，是介质小体积元ΔV 内 沿电场方向感应偶极矩的平均值。所 以P是一个宏观物理量，它的大小与 外加电场有关。
P 0 ( r 1)E
对各向同性电介质，各点极化强度 P与宏观电场强度E成正比。
铁电体
一般电介质 在外加电场下产生极化，去掉电场极化 就消失的电介质。
V=
如使相角1 =，即 C0 R0 =Cxi Rx 或 R0 = Cxi Rx C0
U mC xi sin t C0
抵消Qr
Q Qs +Qi +Qr b c =U mC xs a sin(t ) sin(3t 3 ) sin(5t 5 ) 3 5 U U mC xi sin t m cos t Rx
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。
铁电体材料高介电常数测试技术研究的开题报告
铁电体材料高介电常数测试技术研究的开题报告一、研究背景和意义铁电体材料是具有自发极化性质的材料，其在电子器件、储能器件、传感器等领域有广泛应用。
铁电材料的介电常数决定了其在上述领域的应用性能。
因此，对铁电体材料高介电常数测试技术的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。
现有的铁电体材料高介电常数测试技术主要包括小信号测试法、大信号测试法、谐振腔法、金属绕线法等。
虽然各种测试方法都有其特点，但是目前还没有一种普适性较强的高精度测试方法，且不同的测试方法的测试结果可能存在误差差异，这给铁电体材料的研究和应用带来了一定的困难。
因此，本研究旨在探究铁电体材料高介电常数测试的技术研究，以提高铁电体材料的应用性能和研究水平。
二、研究内容和方法本研究将结合实验方法与数值计算方法，探究不同测试方法对铁电体材料高介电常数测试的影响及其优缺点，重点研究以下内容：1. 小信号测试法、大信号测试法、谐振腔法、金属绕线法等测试方法的基本原理，测试步骤和测试存在的限制。
2. 通过有限元数值计算方法，分析不同测试方法在铁电体材料高介电常数测试中的精度和误差，探究测试方法的优化和改进。
3. 在实验室中应用不同的测试方法，测试铁电体材料的介电性能，并比较测试结果的差异。
对结果进行分析和讨论，为铁电体材料的研究和应用提供合理的性能测试依据。
三、预期结果和意义通过对不同铁电体材料的测试方法进行研究和分析，本研究预期得到以下结果：1. 评估不同测试方法的测量精度，分析测试误差大小及其来源。
2. 对测试方法进行优化和改进，提高铁电体材料的测试精度和稳定性。
3. 得出较为准确的测试结果，并进一步分析研究结果，为铁电体材料的应用和研究提供重要的依据和参考。
本研究成果的意义在于为铁电体材料的性能测试和应用提供了新的研究思路和方法，有助于提高铁电体材料的研究水平和应用领域的扩展。
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消除Qr和Qi的方法很多，下面介绍两种适合于高低 损耗测量要求的方法。
一、电阻补偿法
在标准电容器C0的两端并联一个电阻R0，如图5-6所示。
电路要求: C0 >> Cx
由于C0>>Cx ，外加电压几乎全加在试样上，而电容C0两 端的电压加在示波器Y轴上，即Y轴上电压与标准电容C0两 端的电荷成正比。由于串联电容极板上的电荷相等，因此
Cxs：与电畴反转过程相对应的 等值电容； Cxi：与线性感应极化相对应的 等值电容； Rx：与试样的漏电导和感应极 化损耗相对应的等值电阻
Rx
Cxs
Cxi
U
图5-1 铁电试样的等效电路
如果在试样两端加上正弦交变电压
U U m sin t
(5-1-1)
则在试样两端的电荷Q将由三部分组成： Qs: 电畴反转过程所提供的电荷 Qi: 感应极化过程所提供的电荷 Cxs Cxi
只有电荷Qs与电压U的关系才真正反映电畴的反转过程。
试样的全电滞回线包含了Qi和Qr的影响。 Qi使得Qs的饱和支、上升支和下降支发生倾斜。 而Qr使Qs的饱和支畸变成一个环状端，使测试值偏高。 当Qi和Qr很大时，Q和U的关系将与Qs和U的关系相差很大， 以致淹没了电畴反转过程的特征，形成一个损耗椭圆。
Rx
U
Qr: 电导和感应极化损耗所失去的电荷
图5-1 铁电试样的等效电路
(1) Qs：当电畴的反转速度比电场的变化快时，电畴反转过
程所提供的电荷Qs为一畸变了的矩形波
b Qs U mC xs [a sin(t ) sin(3t 3 ) 3 c (5-1-2) sin(5t 5) R0
t
t U 0 exp( ) C0 R0
(5-1-8)
1 dQ( ) t exp( )d 0 C d C0 R0 0
t 把式(5-1-6)代入式(5-1-8)，当 t ， exp( )0 C0 R0 电路达到稳态，这时电压
Cx W C0
Cx:铁电电容 C0:标准电容
C0 >> Cx 图5-5 简单的Sawyer-Tower电路 示波器的X方向:外加电压 示波器的Y方向:C0上的电压
为了正确测定铁电体的特征参数Qs(或Ps)及UC(或EC)，
必须把全电荷Q中的电荷 Qi 、 Qr抵消掉，再测出Qs 与 电压U的关系。
5-1-2 电滞回线的测定
• 示波器法(Sawyer—Tower电路法) ，即用示波器直接观察 电滞回线，其测量线路原理如图5-5所示。
• 示波器垂直偏向板上的电压与铁电体样品上的电荷Q(或极
化强度P)成正比；
• 示波器水平偏向板上的电压与加在样品上的电压(或电场强
度E)成正比。 如果电容C0选择合适，那么电压每变化一个周期，可在示 波器荧光屏上显示出电滞回线图形来。
式中， 为电导和感应极化损耗所形成的损耗
角。
全电荷Q由Qs、Qi、Qr三部分叠加而成的。 Q和电压U的关系曲线即把图5-3a、b、c所示 的这三部分叠加起来，得到如图5-4所示的全 电滞回线。
图5-4 全电滞回线
目的：研究与电畴反转过程有关的各种现象，即与Ps有关的 参数Qs和与EC有关的参数UC 。
的电滞回线。
Qs
Qs Uc U
Qi
Qr
U
U
(a)
(b)
图5-3 电荷Qs、Qi和Qr与电压的关系
(c)
(2)Qi：感应极化所提供的电荷Qi与电容Cxi和电压U成正比：
Qi U mCxi sin t
(3)Qr: 电导和感应极化损耗所失去的电荷。
(5-1-3)
Qi为一正弦波。Qi与U的关系如图5-3b所示，关系曲线为 一通过原点的直线。
第五章 铁电压电材料参数 的测量
§5-1 铁电材料参数的测量
铁电性：在一定温度范围内具有自发极化，而且其自 发极化方向可以因外电场变化而转向，这种特性称为 铁电性。
铁电体：具有铁电性的晶体材料。
铁电电畴结构示意图
Ba0.6Sr0.4TiO3薄膜的压电像: (a)形貌像；(b)面内极化；(c)面外极化
式中 为电畴反转的滞后角，即电畴反转过程所造成的损耗角；
a、b、c等为相应谐波的振幅修正系数；
α、β、γ等为相应谐波的相位修正系数。
图5-2 Qs和Q的波形 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
铁电陶瓷的SEM
电滞回线是铁电体的重要特征和重要判据之一。
自发极化强度Ps 剩余极化强度Pr
Ec
矫顽场强EC
相对介电系数εr 损耗角正切tgδ
铁电体的电滞回线 随着新型铁电材料的不断涌现，正确地获得材料的 电滞回线和铁电参数是人们愈来愈关心的问题之一。
5-1-1 电滞回线的特征和构成
铁电体中，除电畴反转过程所导致的极化以外，还存 在着感应极化、铁电体的损耗极化。铁电试样的等值电 路如图5-3所示。
如令
1 arctg( ) C xi Rx
则
b Q U mC xs [a sin(t ) sin(3t 3 ) 3 U mC xi c sin(5t 5) ] sin(t ) (5-1-6) 5 cos
Q
Qs Uc U
Udt U Q
r
Rx
Rx
m
cost
(5-1-4)
Qr为一余弦波。Qr与U的关系如图5-3c所示，关系曲线为 一椭圆。
因此，试样两端的全电荷：
Q Q Q Q s i r b U C [a sin(t ) sin(3t 3 ) m xs 3 c sin(5t 5) ] U C sin t m xi 5 U m cost (5-1-5) R x
加到Y轴上的电压必然与试样Cx两端的电荷成正比。
R1 U W R2
Rx
Cxs Cxi
Cx
UR0 R C0 0
C0:标准电容器 Cx:铁电试样的电容 C0 >> Cx
图5-6 电阻补偿的Sawyer-Tower电路
并联电阻R0后，按电流连续原理应有：
C0
dUR0
dQ dt R0 dt
U R0