固體光學(xué)晶體光學(xué)7ppt課件

1、晶體性質(zhì)的測(cè)量與研究方法晶體性質(zhì)的測(cè)量與研究方法一一. 光學(xué)性質(zhì)測(cè)量光學(xué)性質(zhì)測(cè)量 1. 折射率折射率 2. 光學(xué)透過性光學(xué)透過性 3. 電光性能電光性能 4. 光折變性質(zhì)、光折變性質(zhì)、5.介電參數(shù)的介電參數(shù)的測(cè)量測(cè)量二二. 鐵電性質(zhì)電滯回線測(cè)量鐵電性質(zhì)電滯回線測(cè)量三三. 介電性質(zhì)介電性質(zhì)四四. 壓電性質(zhì)測(cè)量壓電性質(zhì)測(cè)量 1. 準(zhǔn)靜態(tài)法準(zhǔn)靜態(tài)法 2. 光學(xué)相干法光學(xué)相干法 3. 諧振反諧振反諧振法諧振法五五. 熱釋電性質(zhì)熱釋電性質(zhì)晶體性質(zhì)的測(cè)量與研究方法晶體性質(zhì)的測(cè)量與研究方法折射率折射率 (最小偏向角法最小偏向角法)光學(xué)性質(zhì)測(cè)量光學(xué)性質(zhì)測(cè)量此方法采用的設(shè)備為分光計(jì)。如右圖所示，AB和AC是透光

2、的光學(xué)表面，又稱折射面。三棱鏡的頂角a可采用反射法測(cè)量。一束平行光入射于三棱鏡，經(jīng)過AB面和AC面反射的光線分別沿T3和T4方位射出，T3和T4方向的夾角記為q。由幾何學(xué)關(guān)系可知，a q /2(T4- T3)/2。 折射率折射率 (最小偏向角法最小偏向角法)光學(xué)性質(zhì)測(cè)量光學(xué)性質(zhì)測(cè)量一束單色平行光入射到棱鏡上，經(jīng)兩次折射后射出，入射光與出射光間的夾角d稱為偏向角。 轉(zhuǎn)動(dòng)三棱鏡，固定入射光，則偏向角d發(fā)生變化。沿偏向角減小的方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)三棱鏡，使偏向角逐漸減小。當(dāng)轉(zhuǎn)到某個(gè)位置時(shí)，若再繼續(xù)沿此方向轉(zhuǎn)動(dòng)，偏向角又將逐漸增大，此位置對(duì)應(yīng)的偏向角便是最小偏向角d min。棱鏡材料的折射率n與頂角a及最小偏

3、向角dmin的關(guān)系式折射率折射率 (最小偏向角法最小偏向角法)光學(xué)性質(zhì)測(cè)量光學(xué)性質(zhì)測(cè)量2sin2sinminminn 對(duì)于單軸晶體，切割棱鏡時(shí)使厚度沿著光軸方向。兩個(gè)不同主折射率的測(cè)量，可通過入射光的偏振方向來實(shí)現(xiàn)。入射光的偏振方向與光軸方向平行，則測(cè)得的折射率為非尋常光的折射率ne；入射光的偏振方向與光軸方向垂直，則測(cè)得的折射率為尋常光的折射率no。 橢圓偏振儀根據(jù)偏振光束在介面表面反射時(shí)出現(xiàn)的偏振態(tài)變化來研究材料光學(xué)性質(zhì)。橢偏儀對(duì)樣品要求不高，測(cè)量薄膜和塊材樣品的折射率n，消光系數(shù)extinction coefficientk、厚度d主要指薄膜樣品等有關(guān)參數(shù)，具有較靈敏、精度較高、使用方便

4、等優(yōu)點(diǎn)，而且是非破壞性測(cè)量。 橢偏法測(cè)量的基本思路是：起偏器產(chǎn)生的線偏振光經(jīng)取向一定的1/4波片后成為橢圓偏振光，把它投射到待測(cè)樣品表面時(shí)，只要起偏器取適當(dāng)?shù)耐腹夥较颍粯悠繁砻娣瓷涑鰜淼膶⑹蔷€偏振光。根據(jù)偏振光在反射前后的振幅和相位變化，便可以確定樣品表面的光學(xué)特性。折射率折射率 (橢圓偏振儀橢圓偏振儀)光學(xué)性質(zhì)測(cè)量光學(xué)性質(zhì)測(cè)量橢偏儀組成部分：(1)光源。大多選用Xe或Hg-Xe燈，其強(qiáng)度從紫外(190 nm)到近紅外近似為常數(shù)；(2)偏振器。能將任何偏振態(tài)的光變成線偏振光。目前常用格蘭泰勒方解石偏振器；(3)1/4波片?？蓪⒕€偏振光變?yōu)闄E圓偏振光；(4)光束調(diào)制器。為方便探測(cè)，用于光強(qiáng)調(diào)制

5、；(5)探測(cè)器。主要有光電倍增管、硅光電池和InGaAs等。折射率折射率 (橢圓偏振儀橢圓偏振儀)光學(xué)性質(zhì)測(cè)量光學(xué)性質(zhì)測(cè)量法國Jobin-Yvon公司生產(chǎn)的UVISEL/460型光譜橢偏儀 折射率折射率 (棱鏡耦合器棱鏡耦合器)光學(xué)性質(zhì)測(cè)量光學(xué)性質(zhì)測(cè)量棱鏡耦合器是基于全反射原理進(jìn)行工作的。如下圖，把樣品的一個(gè)拋光面緊貼在棱鏡面上。入射光進(jìn)入樣品時(shí)，以不同的入射角q連續(xù)掃描，測(cè)量反射光線的強(qiáng)度。當(dāng)?shù)竭_(dá)全反射角qc時(shí)，入射光線在全反射和折射間發(fā)生轉(zhuǎn)化，此時(shí)，反射光線的強(qiáng)度發(fā)生劇烈變化。棱鏡的折射率np已知，只要測(cè)量出qc的值，根據(jù)n = npsin qc，就可以很容易地得到待測(cè)樣品的折射率n的結(jié)果

6、。折射率折射率 (棱鏡耦合器棱鏡耦合器)光學(xué)性質(zhì)測(cè)量光學(xué)性質(zhì)測(cè)量棱鏡耦合器可以提供TES偏振光，電場(chǎng)振動(dòng)方向垂直于入射平面和TMP偏振光，磁場(chǎng)振動(dòng)方向垂直于入射平面，電場(chǎng)振動(dòng)方向平行于入射平面兩種測(cè)量模式，很容易表征光學(xué)性能的各向異性，即可以測(cè)量樣品的雙折射。美國的Metricon公司生產(chǎn)的2019型棱鏡耦合器折射率折射率 (測(cè)量方法比較測(cè)量方法比較)光學(xué)性質(zhì)測(cè)量光學(xué)性質(zhì)測(cè)量最小偏向角法 優(yōu)點(diǎn)：可測(cè)量晶體雙折射即no和ne），測(cè)量設(shè)備簡(jiǎn)單； 缺陷：棱鏡樣品加工麻煩。橢圓偏振儀 優(yōu)點(diǎn)：波長可從紫外到近紅外連續(xù)變化，測(cè)量速度快； 缺陷：只能測(cè)量單一折射率，適用于各向同性材料。棱鏡耦合器 優(yōu)點(diǎn)：可測(cè)

7、量晶體雙折射，測(cè)量速度快； 缺陷：光源只能采用激光，波長有限。Sellmeier方程 222iiiiiDCBAnM. DiDomenico et al, J. Appl. Phys. 40(1) (1969) 720折射率折射率 (研究方法研究方法)光學(xué)性質(zhì)測(cè)量光學(xué)性質(zhì)測(cè)量此方程中的Ai、Bi、Ci、Di沒有物理意義。單項(xiàng) Sellmeier 關(guān)系2200220200211EEEESndS0為平均振子強(qiáng)度，l0為平均振子位置，Ed為色散能量，E0為單個(gè)陣子能量。 Wemple和Didomenico研究了大量氧八面體結(jié)構(gòu)的鐵電體，定義出折射率色散參量E0/S0，發(fā)現(xiàn)具有氧八面體的鐵電體折射率色散

8、參量值很相近，即E0/S0 =60.510-14eVm2。 光學(xué)性質(zhì)測(cè)量光學(xué)性質(zhì)測(cè)量紫外/可見/近紅外分光光度計(jì)(UV-Visible-NIR Spectrophotometer)光學(xué)透過性光學(xué)透過性(測(cè)量設(shè)備測(cè)量設(shè)備)如日本JASCO公司生產(chǎn)的V-570型光度計(jì)，測(cè)量波長范圍為1902500nm如美國熱電Thermo Electron公司的Nexus 870型紅外光譜儀，測(cè)量范圍為2.5 25 m。 傅立葉變換紅外光譜儀(FT-IR spectrophotometer) 光學(xué)性質(zhì)測(cè)量光學(xué)性質(zhì)測(cè)量光學(xué)透過性光學(xué)透過性(禁帶寬度禁帶寬度)吸收系數(shù)吸收系數(shù)與晶體禁帶寬度的關(guān)系為TRt1ln1t為晶

9、體厚度，T為透射率，R為反射率雙面拋光的晶體的反射率為 R=(n-1)2/(n2+1) ngEhhA)(式中A是常數(shù)，Eg表示允許躍遷的光學(xué)帶隙。n由吸收過程中電子躍遷方式?jīng)Q定。本征躍遷有直接躍遷和間接躍遷兩種方式，當(dāng)n = 1/2時(shí)，表示直接躍遷，n = 2時(shí)，表示間接躍遷。J. Tauc, Optical Properties of Solids, New York: Academic Press, 1966A. El-Korashy et al, Physica B 304 (2019) 437312)/1 (kklklEn起偏器信號(hào)發(fā)生器樣品示波器1/4波晶片透鏡檢偏器 激光功率計(jì)45

10、45激光器計(jì)算機(jī)透鏡在外加電場(chǎng)的作用下，晶體折射率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)。對(duì)于單軸晶體，則有光學(xué)性質(zhì)測(cè)量光學(xué)性質(zhì)測(cè)量有效電光系數(shù)有效電光系數(shù)(單軸晶體單軸晶體)l = 1, 2, 3, 4, 5, 6動(dòng)態(tài)(交流電壓)法測(cè)量要比靜態(tài)(直流電壓)法精確，因此測(cè)量時(shí)選擇了一個(gè)交流電壓V=Vmsinwmt，它在晶體中產(chǎn)生的相位延遲為 光學(xué)性質(zhì)測(cè)量光學(xué)性質(zhì)測(cè)量有效電光系數(shù)有效電光系數(shù)(單軸晶體單軸晶體)tEmmsin)(整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的相位延遲為 2)0()(E0表示單晶的自然雙折射引起的相位差，實(shí)際測(cè)量時(shí)，可調(diào)節(jié)檢偏器方向角使2 0 。則整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)光路透過率可表示為 2sin2sin20200ET

11、TIIT系統(tǒng)中輸出光強(qiáng)變化由樣品電光效應(yīng)所引起的相位差G(E)決議。 (1)(2)(3)090180270360I =(I max- I min)/2I mI maxII minOutput light intensity IPhase retardation (degree)圖中給出了輸出光強(qiáng)隨相位延遲的變化關(guān)系 光學(xué)性質(zhì)測(cè)量光學(xué)性質(zhì)測(cè)量有效電光系數(shù)有效電光系數(shù)(單軸晶體單軸晶體)測(cè)試時(shí)要把工作點(diǎn)定在最大線性工作點(diǎn)處，也就是相位延遲為p/2的地方。測(cè)試光路中的1/4波片，可以起到這個(gè)作用。利用貝塞爾函數(shù)處理 (3)式，可知mmIII(4)在實(shí)際測(cè)量時(shí)，光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，測(cè)量相應(yīng)的電壓值表示

12、出它的強(qiáng)弱。如果用S0表示光電探測(cè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化系數(shù)，則有 光學(xué)性質(zhì)測(cè)量光學(xué)性質(zhì)測(cè)量有效電光系數(shù)有效電光系數(shù)(單軸晶體單軸晶體)mmISv0)(minmax0IISvpp和由式(4)(5)可知電光效應(yīng)引起的相位延遲為 ppmmvv2對(duì)于單軸晶體，根據(jù)電場(chǎng)下折射率橢球變化情況，可得知由電光效應(yīng)引起的相位延遲為cecedLVnEnLnL332122L為光波經(jīng)過晶體的長度，E為電場(chǎng)強(qiáng)度，gc為有效電光系數(shù)， ，d為介質(zhì)電極間的厚度。(5)(6)(7)13333)/(eocnn光學(xué)性質(zhì)測(cè)量光學(xué)性質(zhì)測(cè)量有效電光系數(shù)有效電光系數(shù)(單軸晶體單軸晶體)可以得到所測(cè)樣品有效電光系數(shù) mmecVLnd3由式(6)和(

13、8)可得(8)ppmmecvvVLnd213(9)M. Aillerie et al, Appl. Phys. B 70 (2000) 317光學(xué)性質(zhì)測(cè)量光學(xué)性質(zhì)測(cè)量有效電光系數(shù)有效電光系數(shù)(各向同性晶體各向同性晶體)在各向同性晶體有效電光系數(shù)的測(cè)量中，檢偏器的通光方向與起偏器相互垂直，其它元件配置不變。起偏器信號(hào)發(fā)生器樣品示波器1/4波晶片透鏡檢偏器 激光功率計(jì)4545激光器計(jì)算機(jī)透鏡光學(xué)性質(zhì)測(cè)量光學(xué)性質(zhì)測(cè)量有效電光系數(shù)有效電光系數(shù)(各向同性晶體各向同性晶體)對(duì)于各向同性的晶體，電場(chǎng)下晶體折射率橢球變化為nmmmijmnijEEgn31,2)/1 (i, j = 1, 2, 3各向同性晶體的

14、有效電光系數(shù)測(cè)量方法與單軸晶體相同，只是電光系數(shù)的表達(dá)式變?yōu)閜pmmmmvvVLndVLndgg212322321211二波耦合光路當(dāng)IRIS時(shí)，增益系數(shù)（無泵浦光）（有泵浦光）22ln1IILHe-Ne激光器分束器+C軸反射鏡反射鏡晶體I SI R2q快門可調(diào)衰減器功率計(jì)光學(xué)性質(zhì)測(cè)量光學(xué)性質(zhì)測(cè)量光折變性質(zhì)光折變性質(zhì)(測(cè)試光路測(cè)試光路)假設(shè)光柵已經(jīng)建立，以再現(xiàn)光讀出光柵，則衍射效率定義為)0(/ )(rsILIIr(L)和Is(0)分別是衍射光和讀出光的強(qiáng)度 當(dāng)?shù)裙鈴?qiáng)的R光和S光在晶體中寫入光柵后，關(guān)掉其中一束，寫入的光柵便會(huì)被擦除。在擦除過程中，擦除光與它的衍射光在晶體內(nèi)發(fā)生干涉，從而寫入新

15、光柵，新舊光柵之間的相互作用將影響擦除速率。 判斷光激載流子類型的方法為，在上面的光路中，如果R光比S光擦除得慢，則說明能量由R光轉(zhuǎn)移到S光，能量轉(zhuǎn)移方向與晶體光軸方向相同，這時(shí)光激載流子以空穴為主；如果S光比R光擦除得慢，則說明能量由S光轉(zhuǎn)移到R光，能量轉(zhuǎn)移方向與晶體光軸方向相反，這時(shí)光激載流子以電子為主。 光學(xué)性質(zhì)測(cè)量光學(xué)性質(zhì)測(cè)量光折變性質(zhì)光折變性質(zhì)(光激載流子光激載流子)D.L Staebler et al, J. Appl. Phys. 43(3) (1972) 1042寫入光柵的過程中，衍射再現(xiàn)的信號(hào)光強(qiáng)按照公式A(1-exp(-t/tr)進(jìn)行擬合；擦除過程中，則按照公式Bexp(-

16、t/te)進(jìn)行擬合，這里的A和B為常量，tr和te分別是光柵寫入和擦除時(shí)間。 光學(xué)性質(zhì)測(cè)量光學(xué)性質(zhì)測(cè)量光折變性質(zhì)光折變性質(zhì)(響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間)05101520250.00.30.60.91.2 Diffraction intensity (a.u.)Time (second)某晶體折射率光柵寫入和擦除過程中衍射光強(qiáng)度隨時(shí)間變化關(guān)系 C. Yang et al, Appl. Phys. Lett. 74(10) (2019) 1385Asiq/1B2si2qcos2qi/cosqi 2 3208( )BeffnkTAkeq q00sin44effpeakBNkeBk Tq0000001phddR

17、eIhcsss s晶體的增益系數(shù)G與晶體外光束夾角2q的關(guān)系光柵形成速率1/t與總光強(qiáng)I0的關(guān)系光學(xué)性質(zhì)測(cè)量光學(xué)性質(zhì)測(cè)量光折變性質(zhì)光折變性質(zhì)(常用公式常用公式)cos2qi/cosqi值變化較小，通常小于8%，進(jìn)行理論擬合時(shí)可以忽略此項(xiàng)。為簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)分析，通常假定電子和空穴的競(jìng)爭(zhēng)因子x(K)與波矢K無關(guān)。 介電常數(shù)的測(cè)量介電常數(shù)的測(cè)量 在電場(chǎng)作用下，電位移矢量在電場(chǎng)作用下，電位移矢量D隨電場(chǎng)強(qiáng)度隨電場(chǎng)強(qiáng)度E的變化的變化關(guān)系為關(guān)系為Di=0ijEj，式中，式中ij稱為介電常數(shù)。影響稱為介電常數(shù)。影響介電常數(shù)的因素很多，如外電場(chǎng)的頻率、電場(chǎng)強(qiáng)度、介電常數(shù)的因素很多，如外電場(chǎng)的頻率、電場(chǎng)強(qiáng)度、溫度等。

18、在人們研究介電材料的介電性與上述各影溫度等。在人們研究介電材料的介電性與上述各影響因素關(guān)系的同時(shí)，發(fā)展了很多種測(cè)量介電常數(shù)的響因素關(guān)系的同時(shí)，發(fā)展了很多種測(cè)量介電常數(shù)的方法，下圖給出了適用于不同頻率范圍的測(cè)量方法。方法，下圖給出了適用于不同頻率范圍的測(cè)量方法。介電常數(shù)的測(cè)量及其頻率范圍介電常數(shù)的測(cè)量及其頻率范圍 對(duì)介電常數(shù)的測(cè)量，一般通過測(cè)量電介質(zhì)的電容對(duì)介電常數(shù)的測(cè)量，一般通過測(cè)量電介質(zhì)的電容量來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于足夠大的平行平板電介質(zhì)電容器，量來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于足夠大的平行平板電介質(zhì)電容器，其電容可表示為：其電容可表示為：式中式中0是真空介電常數(shù)，是真空介電常數(shù)，是垂直于極板方向上的相是垂直于極板方向上

19、的相對(duì)介電常數(shù)；對(duì)介電常數(shù)；A為電極面積；為電極面積；d為電極板間距，即電為電極板間距，即電介質(zhì)的厚度。介質(zhì)的厚度。在測(cè)量在測(cè)量C時(shí)，由于測(cè)量引線相夾具存在一恒電容時(shí)，由于測(cè)量引線相夾具存在一恒電容Co并與并與C相并聯(lián)，因此實(shí)際測(cè)得的電容量相并聯(lián)，因此實(shí)際測(cè)得的電容量C測(cè)應(yīng)為：測(cè)應(yīng)為：頻率較低時(shí)，測(cè)量電容的工作可由電橋來完成。利頻率較低時(shí)，測(cè)量電容的工作可由電橋來完成。利用不同結(jié)構(gòu)的電橋，可以覆蓋從用不同結(jié)構(gòu)的電橋，可以覆蓋從0.01Hz至至150MHz的頻率范圍。上式的適用頻率為的頻率范圍。上式的適用頻率為1kHz。當(dāng)頻率高于當(dāng)頻率高于10MHz時(shí)，用電橋法測(cè)量介電常數(shù)的精時(shí)，用電橋法測(cè)量介

20、電常數(shù)的精度較低，這是因?yàn)楦哳l會(huì)使雜散電容增加，因此在度較低，這是因?yàn)楦哳l會(huì)使雜散電容增加，因此在10MHz至至100MHz的范圍，通常使用諧振法。的范圍，通常使用諧振法。諧振法測(cè)量電容量的原理如圖所示，由標(biāo)準(zhǔn)電感諧振法測(cè)量電容量的原理如圖所示，由標(biāo)準(zhǔn)電感Ls和待測(cè)晶體電容和待測(cè)晶體電容C測(cè)組成振蕩回路與高頻傳號(hào)發(fā)測(cè)組成振蕩回路與高頻傳號(hào)發(fā)生器相耦合，調(diào)節(jié)頻率使生器相耦合，調(diào)節(jié)頻率使LC回路諧振，電壓表指回路諧振，電壓表指示值為最大，被測(cè)電容為示值為最大，被測(cè)電容為:晶體電光效應(yīng)的研究晶體電光效應(yīng)的研究介紹與一次電光效應(yīng)有關(guān)的電光系數(shù)、半波電壓介紹與一次電光效應(yīng)有關(guān)的電光系數(shù)、半波電壓和消光比

21、的測(cè)試方法。和消光比的測(cè)試方法。加電場(chǎng)以后，折射率橢球變?yōu)榧与妶?chǎng)以后，折射率橢球變?yōu)镵DP類晶體的電光系數(shù)與半波電壓的關(guān)系類晶體的電光系數(shù)與半波電壓的關(guān)系63的縱向效應(yīng)引起的位相差為：的縱向效應(yīng)引起的位相差為：補(bǔ)償?shù)魷囟鹊挠绊懷a(bǔ)償?shù)魷囟鹊挠绊懭绻w處于自由狀態(tài)，由于反壓電效應(yīng)和電致伸如果晶體處于自由狀態(tài)，由于反壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)，外電場(chǎng)會(huì)引起晶體的應(yīng)變，所以，在這種縮效應(yīng)，外電場(chǎng)會(huì)引起晶體的應(yīng)變，所以，在這種情況下測(cè)得的電光系數(shù)已經(jīng)包括了彈光效應(yīng)的影響，情況下測(cè)得的電光系數(shù)已經(jīng)包括了彈光效應(yīng)的影響，稱為自由電光系數(shù)稱為自由電光系數(shù)(Tijk)，它與真電光系數(shù)，它與真電光系數(shù)Sijk，(即

22、應(yīng)變等于零時(shí)的電光系數(shù)即應(yīng)變等于零時(shí)的電光系數(shù))的關(guān)系為的關(guān)系為: 消光比是退偏度消光比是退偏度(當(dāng)線偏振光退化為橢圓偏振光時(shí)其當(dāng)線偏振光退化為橢圓偏振光時(shí)其長、短軸之比稱為退偏度長、短軸之比稱為退偏度)的倒數(shù)，它反映了晶體的的倒數(shù)，它反映了晶體的光學(xué)質(zhì)量。消光比定義為正交偏振干涉中晶體的最光學(xué)質(zhì)量。消光比定義為正交偏振干涉中晶體的最大透過光強(qiáng)與最小透過光強(qiáng)大透過光強(qiáng)與最小透過光強(qiáng)實(shí)際測(cè)量時(shí)，可不斷地改變外加電壓，記錄光強(qiáng)相應(yīng)實(shí)際測(cè)量時(shí)，可不斷地改變外加電壓，記錄光強(qiáng)相應(yīng)的變化，作出的變化，作出IV曲線。曲線的峰值處所對(duì)應(yīng)的電壓曲線。曲線的峰值處所對(duì)應(yīng)的電壓即為半波電壓即為半波電壓Vn.一一.

23、 光學(xué)性質(zhì)測(cè)量光學(xué)性質(zhì)測(cè)量 1. 折射率折射率 2. 光學(xué)透過性光學(xué)透過性 3. 電光性能電光性能 4. 光折變性質(zhì)、光折變性質(zhì)、5.介電參數(shù)的介電參數(shù)的測(cè)量測(cè)量二二. 鐵電性質(zhì)電滯回線測(cè)量鐵電性質(zhì)電滯回線測(cè)量三三. 介電性質(zhì)介電性質(zhì)四四. 壓電性質(zhì)測(cè)量壓電性質(zhì)測(cè)量 1. 準(zhǔn)靜態(tài)法準(zhǔn)靜態(tài)法 2. 光學(xué)相干法光學(xué)相干法 3. 諧振反諧振反諧振法諧振法五五. 熱釋電性質(zhì)熱釋電性質(zhì)鐵電性質(zhì)鐵電性質(zhì)鐵電性質(zhì)鐵電性質(zhì)電滯回線電滯回線(基本概念基本概念)在較強(qiáng)的交變電場(chǎng)作用下，鐵電體的極化強(qiáng)度P隨外電場(chǎng)E呈非線性變化，在一定溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)滯后現(xiàn)象。如下圖，這個(gè)P-E回線稱為電滯回線。 線段OA代表的電場(chǎng)可

24、使極化等于零，稱為矯頑場(chǎng)Ec (coercive field)。線段OB代表的極化稱為剩余極化Pr (remanent polarization) 。在圖中FD線段處，極化與電場(chǎng)成正比，將FD反向延長，交極化軸于C，OC代表的極化稱為自發(fā)極化Pr (spontaneous polarization) 。 鐵電性質(zhì)鐵電性質(zhì)電滯回線電滯回線(測(cè)量方法測(cè)量方法)圖中為改進(jìn)的Sawyer-Tower電路。其中標(biāo)準(zhǔn)電容C0遠(yuǎn)大于試樣電容Cx。晶體樣品電容Cx一般小于5nF，C0可選為10mF。壓敏電阻和穩(wěn)壓電阻可防止發(fā)生高壓擊穿現(xiàn)象。經(jīng)過TL061后的輸出電壓為C0兩端電壓的R1/R2倍，通過R1可調(diào)節(jié)

25、電壓放大倍數(shù)。鐵電性質(zhì)鐵電性質(zhì)電滯回線電滯回線(測(cè)量方法測(cè)量方法)由于標(biāo)準(zhǔn)電容C0和試樣Cx串聯(lián)，二者瞬時(shí)電荷在任何時(shí)間總相等。假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)電容器C0兩端的電壓為V1(t)，瞬時(shí)電荷為Q(t)；試樣的電極面積為A，瞬時(shí)電位移為D(t)，瞬時(shí)電極化強(qiáng)度為P(t)，則有 0001)()()()(CtAPCtADCtQtV試樣上的瞬時(shí)電極化強(qiáng)度P(t)可表示為 ACtVtP01)()(測(cè)試過程中，只要測(cè)得電壓V1(t)，便可得知P(t)。 鐵電性質(zhì)鐵電性質(zhì)電滯回線電滯回線(測(cè)量方法測(cè)量方法)測(cè)試系統(tǒng)中所需外部設(shè)備：(1) 超低頻信號(hào)發(fā)生器?？僧a(chǎn)生0.11Hz的三角波信號(hào)。(2) 高壓放大儀?？蓪⑿盘?hào)發(fā)生

26、器的電壓放大至數(shù)千伏，其放大倍數(shù)根據(jù)測(cè)試材料的矯頑場(chǎng)選擇，一般要求放大后的電壓為-2000V+2000V。(3) 信號(hào)采集設(shè)備。可選為示波器，也可經(jīng)AD數(shù)據(jù)采集卡后利用計(jì)算機(jī)采集。一一. 光學(xué)性質(zhì)測(cè)量光學(xué)性質(zhì)測(cè)量 1. 折射率折射率 2. 光學(xué)透過性光學(xué)透過性 3. 電光性能電光性能 4. 光折變性質(zhì)光折變性質(zhì)二二. 鐵電性質(zhì)電滯回線測(cè)量鐵電性質(zhì)電滯回線測(cè)量三三. 介電性質(zhì)介電性質(zhì)四四. 壓電性質(zhì)測(cè)量壓電性質(zhì)測(cè)量 1. 準(zhǔn)靜態(tài)法準(zhǔn)靜態(tài)法 2. 光學(xué)相干法光學(xué)相干法 3. 諧振反諧振反諧振法諧振法五五. 熱釋電性質(zhì)熱釋電性質(zhì)主要內(nèi)容主要內(nèi)容介電性質(zhì)介電性質(zhì)測(cè)量設(shè)備測(cè)量設(shè)備變溫掃頻介電性能測(cè)試儀。

27、左上為加熱爐，左下為溫控儀，右側(cè)為MODEL TH2816型寬頻LCR數(shù)字電橋阻抗測(cè)量?jī)x(常州同惠電子有限公司)，測(cè)試頻率范圍20Hz-150kHz。Agilent 4285A型阻抗分析儀，頻率范圍為75kHz-30MHz，可以計(jì)算機(jī)控制掃頻，常用于測(cè)試壓電單晶各個(gè)模式壓電振子的諧振、反諧振頻率。介電性質(zhì)介電性質(zhì)研究方法研究方法 測(cè)量介電常數(shù)時(shí)，通常是把樣品做成一個(gè)平板電容器，在低頻率(1kHz)下測(cè)其電容，可算出自由電容率eT；在高頻率(20MHz)下測(cè)其電容，算出夾持電容率eS。408012016005000100001500020000TmTotTro Dielectric consta

28、ntTemperature(oC)某晶體的介電常數(shù)隨溫度變化曲線 通過測(cè)量介電常數(shù)隨溫度的變化關(guān)系，可以得知晶體的相變特性。通常介電常數(shù)最大峰對(duì)應(yīng)著鐵電順電相變，較低溫度的介電峰則為鐵電鐵電相變。對(duì)于一階相變，升溫測(cè)量與降溫測(cè)量的介電峰不重合，二階相變則重合。一一. 光學(xué)性質(zhì)測(cè)量光學(xué)性質(zhì)測(cè)量 1. 折射率折射率 2. 光學(xué)透過性光學(xué)透過性 3. 電光性能電光性能 4. 光折變性質(zhì)光折變性質(zhì)二二. 鐵電性質(zhì)電滯回線測(cè)量鐵電性質(zhì)電滯回線測(cè)量三三. 介電性質(zhì)介電性質(zhì)四四. 壓電性質(zhì)測(cè)量壓電性質(zhì)測(cè)量 1. 準(zhǔn)靜態(tài)法準(zhǔn)靜態(tài)法 2. 光學(xué)相干法光學(xué)相干法 3. 諧振反諧振反諧振法諧振法五五. 熱釋電性質(zhì)熱

29、釋電性質(zhì)壓電性質(zhì)測(cè)量壓電性質(zhì)測(cè)量壓電性質(zhì)測(cè)量壓電性質(zhì)測(cè)量準(zhǔn)靜態(tài)法準(zhǔn)靜態(tài)法中科院聲學(xué)所生產(chǎn)的ZJ-3A型準(zhǔn)靜態(tài)壓電常數(shù)d33測(cè)試儀該儀器的優(yōu)點(diǎn)是可測(cè)出壓電系數(shù)的極性，由此可以判斷晶體光軸的正負(fù)方向。測(cè)量時(shí)可使光軸方向沿著施力方向，若壓電系數(shù)為正，則晶體光軸向上；若為負(fù)，則向下。壓電性質(zhì)測(cè)量壓電性質(zhì)測(cè)量光學(xué)相干法光學(xué)相干法晶體上的反射鏡每移動(dòng)l/ 2 的距離就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)光干涉的拍信號(hào)。因此根據(jù)光拍信號(hào)的個(gè)數(shù)就可以計(jì)算出壓電陶瓷片伸縮的距離。壓電性質(zhì)測(cè)量壓電性質(zhì)測(cè)量光學(xué)相干法光學(xué)相干法tfVtVm02sin)(現(xiàn)設(shè)壓電陶瓷片上加有正弦激勵(lì)電壓為動(dòng)鏡Mirror產(chǎn)生振動(dòng),其位移為tfAtfVdtXmm

30、00332sin2sin)(式中d33為壓電系數(shù)，Am為振動(dòng)位移峰值。對(duì)于光拍信號(hào)，動(dòng)鏡在位移最小處速度最大，光拍最密；反之，在位移最大處速度最小，光拍最疏?？梢?，隨著時(shí)間的變化，光拍信號(hào)是一個(gè)具有一定周期性的變頻信號(hào)，其周期為原振動(dòng)信號(hào)周期的1/ 2 。壓電性質(zhì)測(cè)量壓電性質(zhì)測(cè)量光學(xué)相干法光學(xué)相干法對(duì)應(yīng)于振動(dòng)位移峰谷兩處，可在光拍信號(hào)的一個(gè)周期中讀出光拍個(gè)數(shù)N ,則動(dòng)鏡的振動(dòng)位移峰值為4/NAm晶體的壓電系數(shù)d33 = Am/Vm按照右圖所示施加電壓，可得到晶體的壓電系數(shù)d13值，即tVlAdmm13江惠民，江群會(huì)，中國陶瓷江惠民，江群會(huì)，中國陶瓷 38(5) (2019) 34miemidm

31、igmih, mi15, 31,33彈性系數(shù)EijsDijsEijcDijc, ij11, 12, 13, 33, 55, 66介電常數(shù)和介電隔離率TmnSmnTmnSmn, mn11, 33 壓電系數(shù)四方相單晶沿共有11個(gè)獨(dú)立的材料參數(shù)，包括SmimiETe)(TmiEimmiESTDd)()(DimmiTEg)(壓電應(yīng)力系數(shù)壓電應(yīng)變系數(shù)壓電電壓系數(shù)壓電勁度系數(shù) DimmiSEh)(彈性剛度系數(shù)jiijSTc彈性順度系數(shù)jiijTSs介電隔離率mnmn1介電常數(shù)nmmnED上角標(biāo)E表示短路狀態(tài)上角標(biāo)D表示開路狀態(tài)上角標(biāo)T表示夾持狀態(tài)上角標(biāo)S表示自由狀態(tài)壓電性質(zhì)測(cè)量壓電性質(zhì)測(cè)量諧振反諧振法諧振

32、反諧振法利用阻抗譜的諧振與反諧振法測(cè)量四方相單晶全套介電、壓電和彈性參數(shù)，圖中為所需的五種不同振動(dòng)模式的樣品切型。參考ANSI/IEEE STD. 176-1987, IEEE Standard on Piezoelectricity (IEEE, New York, 1987)壓電性質(zhì)測(cè)量壓電性質(zhì)測(cè)量諧振反諧振法諧振反諧振法壓電性質(zhì)測(cè)量壓電性質(zhì)測(cè)量諧振反諧振法諧振反諧振法序號(hào)振動(dòng)模式壓電振子振子典型尺寸(mm) (lwt)# 1橫向長度伸縮k31 棒2040.5# 2厚度伸縮kt 片550.5# 3厚度切變k15 片10101# 4縱向長度伸縮k33 棒1011# 5橫向長度伸縮45o k31棒2040.5在一定的邊界條件下，通過求解壓電方程，可得到晶體壓電參數(shù)與諧振、反諧振頻率的關(guān)系式。由于