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。如果在试样两端加上交变电压，则试样两端的电荷Q将由三部分组成：图2 铁电测试等效电路图

O+E

c

-P

r

P

E

+P

r

-E

c

P

S

图1 铁电体的电滞回线

(1) 铁电效应：铁电体(Ferroelectric)的电畴翻转过程所提供的电荷Q F ，当E E c 时，铁电畴迅速翻转，电荷Q F 突变。当铁电畴全部反转之后，继续增大电场强度，电荷Q F 保持不变，所以理想铁电材料的电滞回线为一矩形，如图3 (a)所示。

(2) 电容效应：铁电体属于电介质(Dielectric)材料，上下表面涂上电极之后，相当于一电容器，在外电场作用下会发生感应极化，产生电荷Q D 。感应极化所提供的电荷Q D 和电压V 成正比，是一条过原点的直线，如图3 (b)所示。

(3) 电阻效应：即电导(Conductive)和感应极化损耗所提供的电荷Q C ，Q C 是材料中电流与时间的积分，其中电流与电压V 成正比。积分得到的电荷Q C 与电压V 的关系为一椭圆，如图3 (c)所示。

因此试样两端的全电荷Q 是由Q F 、Q D 、Q C 三部分叠加而成的，即Q 和电压V 的关系是图3 (a)、3 (b)、3 (c)三部分的叠加，所以实际测量得到电滞回线如图1所示。

由上述可见，只有电荷Q F 与电压V 的关系才真正反映了铁电体中的电畴翻转过程。实际测量得到的全电滞回线（图1）包含了与铁电畴极化翻转过程无关的Q D 和Q C 的影响。由图3可知，电容效应Q D 使得Q F 的饱和支、上升支和下降支发生倾斜，但是从理论上来说对于Q F 和V c 的数值没有影响。而电阻效应提供的电荷Q C 则不同，Q C 使Q F 的饱和支畸变成一个环状端。对Q F 和V c 的数值都有影响，使测得的数值偏高，造成误差。当电容效应和电阻效应很大时，Q 和V 的关系将与Q F 和V 的关系相差很大，以致掩盖了电畴翻转过程的特征，形成一个损耗椭圆，以致一些研究者把一部分并无电畴过程的电介质也认为是铁电体。所以正确的获得电滞回线和铁电参数是准确表征铁电性能的前提。

测量电滞回线的方法很多，其中应用最广泛的是Sawyer –Tower 方法，它是一种建立较早，已被大家广泛接受的非线性器件的测量方法，目前仍然是大家用来判断测试结果是否可靠的一个对比标准。图4是改进的Sawyer –Tower 方法的测试原理示意图，它将待测器件与一个标准感应电容串C 0联，测量待测样品上的电压降（V 2-V 1）。其中标准电容C 0的电容量远大于试样C x ，因此加到示波器x 偏向屏上的电压和加在试样C x 上的电压非常接近；而加到示波管y 偏向屏上的电压则与试样C x 两端的电荷成正比。因此可以得到铁电样品表面电荷随电压的变化关系，分别除以电极面积和样品厚度即可得到极化强度P 与电场强度E 之间的关系曲线。

图3 电荷Q F 、Q D 、Q C 与电压V 的关系

本实验中的铁电性能测试采用美国Radiant Technology 公司生产的RT Premier Ⅱ型标准铁电测试仪。该仪器采用 Radiant Technologies 公司开发的虚地模式，如图5所示。待测的样品一个电极接仪器的驱动电压端(Drive)，另一个电极接仪器的数据采集端(Return)。Return 端与集成运算放大器的一个输入端相连，集成运算放大器的另一个输入端接地。集成运算放大器的特点是输入端的电流几乎为0，并且两个输入端的电位差几乎为0，因此，相当于Return 端接地，称为虚地。样品极化的改变造成电极上电荷的变化，形成电流。流过待测样品的电流不能进入集成运算放大器，而是全部流过横跨集成运算放大器输入输出两端的放大电阻。电流经过放大、积分就还原成样品表面的电荷，而单位面积上的电荷即是极化。这一虚地模式可以消除Sawyer –Tower 方法中感应电容产生的逆电压和测试电路中的寄生电容对测试信号的影响。

图5 Premier Ⅱ铁电测试仪虚地模式电路示意图

电滞回线（Hysteresis loop ）的测量

图6是测量电滞回线所用的三角波测试脉冲。第一个负脉冲为预极化脉冲，它只是将待测样品极化到负剩余极化( P r )的状态，并不记录数据。间隔1s 后，施加一个三角波来测试记录数据，整个三角波实际是由一系列的小电压台阶构成的，每隔一定时间（V oltage step delay ），测试电压上升一定值（V oltage step size ），然后测试一次，并通过积分样品上感应的电流可以算出电极表面的电荷，除以电极面积即可得到此电压下的剩余极化强度值。

图4 Sawyer –Tower 电路 Integrator

Voltage Measurement

Return

Transimpedance

Amplilier Gain Stage Device under test

Parasitic

capacitance Drive