鐵電薄膜鐵電性能的表征及相關測試設備

鐵電體是這樣一類晶體:在一定溫度范圍內存在自發極化,自發極化具有兩個或多個可能的取向,其取向可能隨電場而轉向.鐵電體并不含“鐵”,只是它與鐵磁體具有磁滯回線相類似，具有電滯回線，因而稱為鐵電體。在某一溫度以上，它為順電相，無鐵電性，其介電常數服從居里-外斯（Curit-Weiss）定律。鐵電相與順電相之間的轉變通常稱為鐵電相變，該溫度稱為居里溫度或居里點Tc。鐵電體即使在沒有外界電場作用下，內部也會出現極化，這種極化稱為自發極化。自發極化的出現是與這一類材料的晶體結構有關的。晶體的對稱性可以劃分為32種點群。在無中心對稱的21種晶體類型種除432點群外其余20種都有壓電效應，而這20種壓電晶體中又有10種具熱釋電現象。熱釋電晶體是具有自發極化的晶體，但因表面電荷的抵償作用，其極化電矩不能顯示出來，只有當溫度改變，電矩（即極化強度）發生變化，才能顯示固有的極化，這可以通過測量一閉合回路中流動的電荷來觀測。熱釋電就是指改變溫度才能顯示電極化的現象，鐵電體又是熱釋電晶體中的一小類，其特點就是自發極化強度可因電場作用而反向，因而極化強度和電場E 之間形成電滯回線是鐵電體的一個主要特性。自發極化可用矢量來描述，自發極化出現在晶體中造成一個特殊的方向。晶體中，每個晶胞中原子的構型使正負電荷重心沿這個特殊方向發生相對位移，使電荷正負重心不重合，形成電偶極矩。整個晶體在該方向上呈現極性，一端為正，一端為負。在其正負端分別有一層正和負的束縛電荷。束縛電荷產生的電場在晶體內部與極化反向（ 稱為退極化場） ，使靜電能升高，在受機械約束時，伴隨著自發極化的應變還將使應變能增加，所以均勻極化的狀態是不穩定的，晶體將分成若干小區域，每個小區域內部電偶極子沿同一方向，但各個小區域電偶極子方向不同，這些小區域稱為電疇或疇，疇的間界叫疇壁。疇的出現使晶體的靜電能和應變能降低，但疇壁的存在引入了疇壁能?？傋杂赡苋O小值的條件決定了電疇的穩構型。

二、實驗目的

1、了解什么是鐵電體，什么是電滯回線及其測量原理和方法。

2、了解鐵薄膜材料的功能和應用前景。

3、使用設備：TDZT-04C型鐵電材料綜合測試系統

三、實驗原理

1、鐵電體的特點

（1）電滯回線

鐵電體的極化隨外電場的變化而變化，但電場較強時，極化與電場之間呈非線性關系。在電場作用下新疇成核長，疇壁移動，導致極化轉向，在電場很弱時，極化線性地依賴于電場 見圖 ,此時可逆的疇壁移動成為不可逆的，極化隨電場的增加比線性段快。當電場達到相應于B點值時，晶體成為單疇，極化趨于飽和。電場進一步增強時，由于感應極化的增加，總極化仍然有所增大(BC)段 。如果趨于飽和后電場減小，極化將循 CBD段曲線減小，以致當電場達到零時，晶體仍保留在宏觀極化狀態，線段OD表示的極化稱為剩余極化Pr。將線段CB外推到與極化軸相交于E，則線段OE 為飽和自發極化Ps。如果電場反向，極化將隨之降低并改變方向，直到電場等于某一值時，極化又將趨于飽和。這一過程如曲線DFG所示，OF所代表的電場是使極化等于零的電場，稱為矯頑場?Ec。電場在正負飽和值之間循環一周時，極化與電場的關系如曲線CBDFGHC

所示此曲線稱為電滯回線。

圖 鐵電體的電滯回線

圖 電滯回線的顯示

電滯回線可以用圖的裝置顯示出來（這就是著名的Sawyer-Tower電路），以鐵電晶體作介質的電容C_x上的電壓V是加在示波器的水平電極板上，與C_x串聯一個恒定電容C_y(即普通電容)，C_y上的電壓V_y加在示波器的垂直電極板上，很容易證明V_y與鐵電體的極化強度P成正比，因而示波器顯示的圖象，縱坐標反映P的變化，而橫坐標V_x與加在鐵電體上外電場強成正比，因而就可直接觀測到P-E的電滯回線。

推薦使用TDZT-04鐵電材料測試儀是適用于鐵電薄膜、鐵電體材料（既可塊體材料）的電性能測量，可測量鐵電薄膜電滯回線、可地測出具有非對稱電滯回線鐵電薄膜的Pr值。

其主要技術指標：
1.輸出信號電壓：：薄膜：0～±10V 陶瓷、材料：0～±2000V
2.輸出信號頻率：薄膜材料1-1000HZ，陶瓷：0-1Hz
3.電容范圍：1000nf～ 100nf, 精度: ≤1%。
4.電流范圍: 1nA～10A ,精度: ≤1%。

5、測試樣品：0-20mm  5個

6、高壓樣品池：2個，一個封閉式：8CM*6CM 一個開放式：8CM*5CM

7、三維移動薄膜測試平臺：直立式探針一套，角度式探針一套

8、電流：1-10倍放大，信號：1-20倍。.數據結口：USB或BNC接口。

9. 數據采集分析軟件： 能畫出鐵電薄膜的電滯回線，定量得到鐵電薄膜材料的飽和極化Ps、剩余極化Pr、矯頑場Ec、漏電流等參數;可以進行鐵電薄膜材料的鐵電疲勞性能、鐵電保持性能的測試，電阻測量，漏電流測量。

10.可以配合ZJ-3和ZJ-6型壓電測試儀操作系統

1、鐵電性能綜合測試儀硬件結構

鐵電薄膜材料的測量儀主要包括可編程信號源、微電流放大器、積分器、放大倍數可編程放大器、模/數轉換器、數/模轉換器、微機接口部分、微機和應用軟件等部分組成。系統框圖見圖12-2-3，硬件系統由一臺計算機、信號調理電路部分組成。

圖12-2-3 鐵電性能測量儀結構框圖

2、實驗內容

測量鐵電薄膜樣品的電滯回線，畫出電滯回線及得到鐵電薄膜材料的飽和極化±Ps、剩余極化±Pr、矯頑場±Ec、電容量C等參數。

【實驗步驟】

1. 準備工作：首先開啟計算機，閱讀儀器說明書。

2. 初始化：在低電壓（100V）下運行測量軟 件，開啟測量儀，并檢查探針位置是否正確。

3. 確定高壓區間?V ：調整高電壓和低電壓， 觀察能出現標準電滯回線的大和小的 電壓值，并記錄為Vmax和Vmin，高壓區間 為?V = Vmax ? Vmin。值得注意的是，軟 件中輸入的高壓值在本次試驗的試驗儀上 通常達不到，因此需要輸入比目標電壓高 一些的電壓值，電壓值以實際高壓為準。備 注：高壓區間指的是保持標準電滯回線的 低和高電壓。

4. 測量電滯回線：在剛剛確定的那個電壓范圍內，選擇五個電壓值，間隔為?V /5，分別 測量在這五個電壓值下的電滯回線，并且保留電滯回線測量數據。

5. 拷貝并帶回電滯回線測量數據，以便于后續數據處理使用。

6. 實驗結束后，先關閉測量儀，后關閉計算 機。

7. 用 電 滯 回 線 測 量 數 據， 計 算 相 應 的 數 據Pr、Ps、Ec。