实验一 材料的铁电性能测量
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 ，
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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
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y x xy x yC 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 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 y y = （12.2-4）因Ｓ与Ｃｙ都是常数，故Ｖｙ与Ｐ成正比。
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。
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。
金属材料的导电性与电阻率实验测定
金属材料的导电性与电阻率实验测定导言金属材料的导电性与电阻率是材料科学中重要的物性参数。
通过实验测定金属材料的导电性和电阻率，可以评估材料的导电能力和电阻性能，为材料选择和应用提供依据。
本实验旨在利用简单的实验装置和方法，测定金属材料的导电性和电阻率，并探讨影响导电性与电阻率的相关因素。
实验步骤1. 实验材料和仪器准备本实验所需材料包括金属导线、电源、电流表、电压表和导电金属样品。
确保实验仪器的准确性和稳定性，如电流表和电压表的刻度准确、样品接触良好等。
2. 测量电路搭建使用导线将电流表、电压表和电源连接成串联电路，确保电路接线无误。
3. 金属样品处理清洁金属样品表面的油脂和氧化物，以保证电流顺利通过样品。
观察并记录金属样品的基本信息，如形状、尺寸、材料等。
4. 测定电阻率a) 将金属样品夹持在恒温水槽中，保持恒定的温度。
b) 依次调节电源和电流表，使电流依次通过金属样品，记录电流值I。
c) 依次调节电源和电压表，测量样品两端的电压V。
d) 根据欧姆定律，计算金属样品的电阻R = V/I。
e) 根据电阻率的定义，计算电阻率ρ = R * A / L，其中A为样品横截面积，L为样品长度。
5. 测定导电性a) 保持金属样品的恒定温度和电流。
b) 分别测量样品两端的电压V1、V2、V3等，并记录相应的电流I。
c) 根据电导率的定义，计算电导率σ = I / (V1 + V2 + V3)。
d) 将电导率与电阻率互为倒数，即σ = 1/ρ，可得到导电性与电阻率之间的关系。
结果与讨论通过上述实验步骤，我们可以得到不同金属材料的导电性和电阻率数据。
根据实验数据，我们可以进一步讨论导电性与电阻率的影响因素。
1. 温度对电阻率和导电性的影响实验中通过恒温水槽控制金属样品的温度，观察电阻率和导电性是否随温度的变化而变化。
通常情况下，温度升高，金属材料的电阻率会增加，导电性会降低。
这是因为温度升高时，金属晶体中电子受热运动加剧，电子与晶格之间的散射增多，电子的自由运动能力减弱，导致电阻率的增加。
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。
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
金属导电性的测量实验报告
金属导电性的测量实验报告实验目的：测量不同金属材料的导电性能，并比较它们之间的差异。
实验器材：1. 电源2. 电流表3. 电压表4. 导体材料（铜线、铁线、铝线等）5. 连接线6. 示波器（可选）实验原理：金属导电性是金属材料的一种重要特性，通常用电导率来描述。
电导率（σ）是指单位长度和单位横截面积的金属导体通过电流时所能导电的能力。
根据欧姆定律（Ohm's Law），电流（I）与电压（V）之间的关系为I = V/R，其中R是电阻。
电导率则定义为导体单位长度上的电量与电压之比，即σ = I/(A × V)，其中A是导体的横截面积。
实验步骤：1. 将电流表和电压表分别接入实验电路中，确保电路连接正确并稳定。
2. 准备好不同金属导体材料，如铜线、铁线、铝线等。
3. 依次将不同金属导体材料接入电路中，连接好电源，并调节电流大小，确保测量范围适中。
4. 分别测量每个金属导体材料的电流值和电压值，并记录下来。
5. 根据测量结果计算出每个金属导体材料的电阻和电导率，并记录下来。
6. 分析比较不同金属导体材料的电导率，探究其差异的原因。
实验结果：在测量过程中，我们得到了以下数据：1. 铜线：电流值为I1，电压值为V1；2. 铁线：电流值为I2，电压值为V2；3. 铝线：电流值为I3，电压值为V3。
通过计算，我们得到不同金属导体材料的电阻和电导率如下：1. 铜线：电阻为R1，电导率为σ1；2. 铁线：电阻为R2，电导率为σ2；3. 铝线：电阻为R3，电导率为σ3。
实验讨论：根据实验结果，我们可以得出以下结论：1. 铜线具有较低的电阻和较高的电导率，说明它是一种良好的导电材料。
2. 铝线具有较高的电阻和较低的电导率，说明它相对于铜线来说导电性较差。
3. 铁线的导电性能介于铜线和铝线之间。
这种差异主要是由于金属导体内部的自由电子的运动性质不同所导致的。
在铜线中，自由电子的数量较多且能够自由运动，因此导电性能较好。
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。
铁电材料测试
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
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
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
(5-1-7)
解微分方程可得：
U 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
U R0 U m C xs [acos 1 sin(ω t α 1 ) C0
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。
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。
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。
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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 2
7) 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”。
11) 其它参数不需要修改，采取默认值。
12) 打开高压工作界面（HVI）的电源。
13) 打开高压放大器（HV A）的电源，把电源的开关拨到最上方。
14) 按下OK。
注意：当高压工作界面的“High V oltage Enabled”灯亮的时候，高压工作界面正在对样品加载高压，在“High Voltage Enabled”灯亮的过程中，一定不要靠近样品，更不能触摸样品。
15) 当“High Voltage Enabled”灯灭了以后，弹出一个窗口显示测量结果，测量结果包括电磁回线图和测量数据。
注意：一个测量结束后，要立即关掉高压工作界面的电源，当要进行下一个测量时再打开高压工作界面的电源。
4．数据处理和实验报告
对实验结果中的电磁回线和测量数据进行分析，并进行有关事项的讨论和总结，以及提出建议。