PMN-PT铁电单晶的时域介电谱

PMN-PT铁电单晶的时域介电谱
刘俊刁;沈韩;陈敏
【摘要】测量了PMN-PT单晶0℃至120℃范围内的时域介电谱.分出了晶体中晶格极化,铁电畴运动和屏蔽电荷激发三种极化机构的作用.各极化机构的响应时间对样品的极化状态非常敏感.
【期刊名称】《惠州学院学报》
【年(卷),期】2010(030)006
【总页数】3页(P18-20)
【关键词】PMN-PT单晶;介电谱;慢极化效应
【作者】刘俊刁;沈韩;陈敏
【作者单位】惠州学院,电子科学系,广东,惠州,516007;中山大学,物理科学与工程技术学院,广东,广州,510275;中山大学,物理科学与工程技术学院,广东,广州,510275【正文语种】中文
【中图分类】O487
当前用于机电换能器的主要材料为 Pb(Zr1-xTix)O3(PZT)陶瓷。

但自从发现具有钙钛矿结构的 Pb(B1,B2)O3-PT弛豫型固溶体单晶具有非常大的压电参数之后,研究的重点已发生转移。

此类晶体(如 PZT-PT,PMNPT等)的电致应变系数可高达 1%,为 PZT陶瓷的 10倍以上;压电系数也可高达1500μC/N。

有望取代 PZT陶瓷而发展成为新一代的压电材料[1]。

由于材料的压电性能受击穿场强,电畴运动,剩余极化等极化特性的影响很大,所以研究压电材料的介电性质就成为研究其压电性能的一
个重要组成部分[2]。

测量用的铌镁酸铅 -钛酸铅(PMN-PT)固溶体单晶用 Bridgman法制备,组分为76:24(配料比)。

样品面积32.9 mm2,厚度 0.56 mm,电极为 Cr+Au,表面垂直于 C 轴。

其频域介电谱用 HP4192A型阻抗分析仪测量。

时域介电谱的测量原理如图 1中的套图,先用U0=19.4V的电压将样品极化至平衡,在 t=0时刻迅速将开关 K拨至 2,让样品通过电阻R+r=(886+99.4)kΩ放电;最小采样时间间隔为30μs。

则根据时域介电谱学理论可知,分压电阻 r两端的电压随时间的变化关系可写为[3,4] 在 0-150℃范围内用 HP4192A阻抗分析仪测得的介电损耗都很小,且随温度上升,损耗略为变小,如图 2所示。

用 300kHz测出的损耗tgδ大于 10 kHz的结果,且两曲线在70℃至80℃范围内有一微弱的峰。

不同频率测出的高频介电常数εh非常接近。

在温度较低时,300 kHz的结果略小;在75℃附近,曲线有一转折,该温度两边曲线的斜率不同。

在75℃至100℃范围内,数据落在同一条直线上。

由此可判断,晶体在75℃附近结构发生了变化。

εh的极大值出现在110℃,为 PMN-PT单晶的居里温度。

图 1为室温放电谱。

其中曲线 a为300℃去极化后的测量结果,b为用 240 V电压极化 5 s后的结果,c为用240 V极化10 min后的结果。

解谱可得N=3项,各项的响应时间相差几个数量级,解谱时很容易分开。

各曲线距离很远,可见放电谱对极化时间的长短非常敏感。

随极化时间延长,项数不变,n=2和 n=3的慢响应项的响应时间τn持续减少近两个数量级,相应地 Qn也变小。

样品28℃至120℃的时域介电谱参数示于图 3。

ε1,ε2,ε3随温度升高而迅速变大,在100℃至110℃之间形成明显的峰值。

其中ε1与频域测量结果εh在温度重叠的范围 (28-105℃)内完全重合,ε1左端延长的点线为频域测量的结果。

在 T＞70℃时,慢介电常数已大于快介电常数;由于慢响应项不遵守交流电路方程,无法用正弦信号测出,所以此温区内传统的频域测量结果不可靠。

τ2,τ3非常大,比τ1大两个数量
级以上,达到百秒量级,且在70℃附近都有一明显的峰,之后缓慢下降。

但τ2在70℃和100℃附近都出现显著的峰值,100℃附近的峰最为尖锐,并在 T＞100℃时迅速变小。

PMN-PT单晶的时域放电谱可解谱为三项,根据响应时间的长短可知,n=1项应为响应时间小于τ1的各极化机构共同作用的结果,包括电子云畸变极化,晶格极化等的
作用;n=2项为铁电畴结构运动的结果;n=3项响应时间很长,为屏蔽电荷激发的结果。

上述分类曾在 TGS单晶的相变中有详细讨论[5]。

若按上述分类,PMN-PT单
晶的介电谱可得到很好的解释。

晶体相变时,将从一种平衡结构转变为另一种平衡结构,恢复力系数经历一个由大变小,再由小变大的过程,相应地响应时间将出现峰值。

铁电畴的运动才是铁电相变特
有的性质,τ2的高温峰值出现在100℃,此即为 PMN-PT单晶的居里温度,比频域法测得的结果小10℃,此温度附近发生顺电相至铁电相的转变。

τ2在70℃附近还有一个很明显的峰,样品由一种铁电相转变为另一种铁电相,并导致屏蔽电荷的大量激发,ε3大于快介电常数ε1,ε3也出现一个峰。

图2所示频域谱中的损耗峰,及εh从
曲线到直线的过渡也是这一转变造成的。

由于畴结构只出现在铁电相,可以预见,温
度T远高于100℃时,τ2,ε2将迅速减小直至消失,时域放电谱也将由三项变为两项。

在样品两端加上240 V的电压,则极化方向与外电场方向一致的铁电畴就开始生长,内电场增强,恢复力系数变大,响应时间τn变小。

样品中空间电荷由于内电场的增强,只有一部分能从样品中释放出来,慢电荷量Qn变小,放电曲线下降。

极化时间越长,内电场越强,Qn,τn越小,曲线越低。

由于铁电畴的生长需要一定的时间,240 V
的电压在5 s内不足以使铁电畴的生长达到新的平衡,所以再增加极化时间,(Qn,τn)继续变小,放电曲线继续下降。

极化一定的时间后,铁电畴的生长趋向平衡,曲线降至一平衡位置就不再下降。

图1中曲线c下降的幅度已明显小于曲线b下降的幅度。

频域方法只能测出t≤1/f那一部分极化的贡献,频率高时测量的εh必定比频率低时
测量的结果小,所以频域谱在较低温度时,300 kHz的曲线要比 10 kHz的曲线低。

HP4192A阻抗分析仪的最低频率为 5 Hz,测不出响应时间非常长(达百秒量级)的慢响应项的贡献,无法全面地反映样品内部结构的变化。

(1)PMN-PT单晶的居里温区在100℃附近,此时发生顺电相到铁电相的转变;当温度降至70℃附近时,从一种铁电相转变为另一种铁电相。

(2)铁电单晶的极化状态会严重影响慢响应项的大小,及其响应时间,变化可达两个数量级以上。

所以在研究铁电单晶的介电谱之前必须先确定样品的极化状态,否则测量的结果没有确定值。

(3)频域介电谱测量的结果与采用的频率有关,不足以全面真实地反映铁电体内部结构的变化,特别是与铁电相变密切相关的铁电畴结构的变化;而用时域介电谱可得到更为丰富的信息。

【相关文献】
[1]RAJAN K K,SHANTH IM,CHANGW S,et al.Dielectric and piezoelectric
propertiesof[001]and[011]-poled relaxor ferroelectric PZN-PT and PMN-PT single crystals[J].Sensors and Actuators a-Physical,2007,133(1):110-116.
[2]PARK S E,SHROUT T R.Ultrahigh strain and piezoelectric behavior in relaxor based ferroelectric single crystals[J].J.Appl.Phys.,1997,82(4):804-1811.
[3]L IJingde,CHEN Min,ZHENG Feng,et al.Diffusion theory of slow responds[J].Science in China:SeriesA,1997,40(3):290-296.
[4]陈敏,李智强,沈文彬,等.描述铁电介质慢极化过程的等效电路[J].无机材料学报,2002,17(03):521-525.
[5]李景德,李家宝,符史流.时域方法在铁电相变研究中的应用[J].物理学报,1993,42(4):674-680.。