鐵電體的電滯回線

1、鐵電體電滯回線及居里溫度的測(cè)量自從1921年了J.Valasek發(fā)現(xiàn)羅息鹽是鐵電體以來，迄今為止陸續(xù)發(fā)現(xiàn)的新鐵電材料已達(dá)一千種以上。鐵電材料不僅在電子工業(yè)部門有廣泛的應(yīng)用，而且在計(jì)算機(jī)、激光、紅外、徽波、自動(dòng)控制和能源工程中都開辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域。電滯回線是鐵電體的主要特征之一，電滯回線的測(cè)量是檢驗(yàn)鐵電體的一種主要手段。通過電滯回線的測(cè)量可以獲得鐵電體的一些重要參數(shù)。在居里溫度處，鐵電材料的許多物理性質(zhì)將發(fā)生突變，因此居里溫度的測(cè)量對(duì)研究鐵電體的性質(zhì)有重要的的意義。通過本實(shí)驗(yàn)可以了解鐵電體的基本特性，掌握電滯回線及居里溫度的一種測(cè)量方法。一、實(shí)驗(yàn)原理1. 電滯回線。我們知道，全部晶體按其結(jié)構(gòu)的對(duì)

2、稱性可以分成32類（點(diǎn)群）。32類中有10類在結(jié)構(gòu)上存在著唯一的“極軸”，即此類晶體的離子或分子在晶格結(jié)構(gòu)的某個(gè)方向上正電荷的中心與負(fù)電荷的中心重合。所以，不需要外電場(chǎng)的作用，這些晶體中就已存在著固有的偶極矩，或稱為存在著“自發(fā)極化”。如果對(duì)具有自發(fā)極化的電介質(zhì)施加一個(gè)足夠大（如kV/cm)的外電場(chǎng)，該晶體的自發(fā)極化方向可隨外電場(chǎng)而反向，則稱這類電介質(zhì)為“鐵電體”。眾所周知，鐵磁體的磁化強(qiáng)度與磁場(chǎng)的變化有滯后現(xiàn)象，表現(xiàn)為磁滯回線。正如鐵磁體一樣鐵電體的極化強(qiáng)度隨外電場(chǎng)的變化亦有滯后現(xiàn)象，表現(xiàn)為“電滯回線”，且與鐵電體的磁滯回線十分相似。鐵電體其它方面的物理性質(zhì)與鐵磁體也有某種對(duì)應(yīng)的關(guān)系。比如電

3、疇對(duì)應(yīng)于磁疇。激發(fā)極化方向一致的區(qū)域（一般）稱為鐵電疇，鐵電疇之間的界面稱為磁壁。兩電疇反向平行排列的邊界面稱為180°磁壁，兩電疇互相垂直的疇壁稱為90°疇壁。在外電場(chǎng)的作用下，電疇取向態(tài)改變180°的稱為反轉(zhuǎn)，改變90°的稱為90°旋轉(zhuǎn)。晶體中每個(gè)電疇方向都相物的則稱為單疇，若每個(gè)電疇的方向各不相同，則稱為多疇。圖1 電滯回線電滯回線是鐵電體的主要特征之一，電滯回線的測(cè)量是檢驗(yàn)鐵電體的一種主要手段。通過電滯回線的測(cè)量可以獲得鐵電體的自發(fā)極化強(qiáng)度，剩場(chǎng)極化強(qiáng)度，矯頑場(chǎng)及鐵電耗損等重要參數(shù)，如圖1所示。該圖是典型的電滯回線。當(dāng)外電場(chǎng)施加于晶體時(shí)

4、，極化強(qiáng)度方向與電場(chǎng)方向平行的電疇變大，而與之反平行方向的電疇則變小。隨著外電場(chǎng)的增加，極化強(qiáng)度開始沿圖1中段變化，電場(chǎng)繼續(xù)增大，逐漸飽和，如圖中的段所示，此時(shí)晶體已成為單疇。將段外推至電場(chǎng)時(shí)的軸圖中虛線所示），此時(shí)在軸上所得截距稱為飽和極化強(qiáng)度，是每個(gè)電疇原來已經(jīng)存在的自發(fā)極化強(qiáng)度。當(dāng)電場(chǎng)由圖中處開始降低時(shí)，晶體的極化強(qiáng)度隨之減小，但不是按原來的曲線降至零，而是沿著曲線變化。當(dāng)電場(chǎng)降至零時(shí)，其極化強(qiáng)度稱為剩余極化強(qiáng)度。剩余極化強(qiáng)度是對(duì)整個(gè)晶體而言的（電場(chǎng)強(qiáng)度為零后，晶體部分回復(fù)多疇狀態(tài)，極化強(qiáng)度又被抵消了一部分）。當(dāng)反向電場(chǎng)增加至?xí)r，剩余極化強(qiáng)度全部消失，稱為矯頑電場(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)反向電場(chǎng)繼續(xù)增加

5、時(shí)，沿反向電場(chǎng)取向的電疇逐漸增多，直至整個(gè)晶體成為一個(gè)單一極化方向的電疇為止（即圖1中點(diǎn)）。如此循環(huán)便成為一電滯回線。圖2 鈦酸鋇的電滯回線剩余極化強(qiáng)度一般小于自發(fā)極化強(qiáng)度。但如果晶體成為單疇，則等于。所以，某一材料的與相差愈多，則該材料愈不易成為單疇。圖2所示為鈦酸鋇單晶和多晶（陶瓷）電滯回線的對(duì)比。由圖可見，陶瓷體雖經(jīng)過電場(chǎng)極化，仍不容易成為單疇，單晶體的等于。（1）電滯回線的測(cè)定。測(cè)量鐵電材料電滯回線的方法通常有兩種：1. 沖擊檢流計(jì)描點(diǎn)法；2. 示彼器示波圖法。本書介紹第二種方法。圖3 Sawer-Tower電路原理圖示波器圖示法又稱Sawer-Tower電路法，圖3便是Sawer-T

6、ower電路原理圖。圖中為待測(cè)樣品。為大電容，與串聯(lián)。為了消除和之間的相位差，在電容上并聯(lián)了一個(gè)電阻，調(diào)整的大小便可使，的相位相同。因?yàn)楹褪谴?lián)的故兩個(gè)電容器上的電荷是一樣多的，即 ()式中為樣品的有效電極面積，為電位移。對(duì)于鐵電陶瓷，故，從而與極化強(qiáng)度成正比，即 ()由于，故，（電源電壓），所以 ()式中為樣品兩端的電場(chǎng)強(qiáng)度。上式表明，從上取出的電壓正比于樣品的電場(chǎng)強(qiáng)度。若將，分別接到示波器的Y，X軸上，便可以在示波器上看到P-E (或D-E)曲線,即電滯回線。圖3中的叫補(bǔ)償電組，用于校正因樣品漏電導(dǎo)和感應(yīng)極化耗損而產(chǎn)生的和之間的相位差。這個(gè)相位差會(huì)給電滯回線帶來疇變。補(bǔ)償電阻的調(diào)整是容易的

7、，但不容易準(zhǔn)確。所以，此法不適宜弱電性和高損耗的樣品。（2），和的測(cè)量。測(cè)出樣品的電滯回線后，根據(jù)示波器上Y軸和X袖的比例尺，便可以求出，和的數(shù)值。Y軸（電量）比例尺的確定：使示波器X軸輸入短路，屏示高度為 (mm)，則縱軸比例尺為 ()式中為標(biāo)準(zhǔn)電容()，為電壓有效值(V)，為示波器上的高度(mm)。X軸（電壓)比例尺的確定：使示波器上Y軸輸入短路，示波器寬度為(mm)，若此時(shí)電源電壓為，則X軸比例尺為 ()的測(cè)量：從示波器讀取與橫軸（電壓）的原點(diǎn)相應(yīng)的縱軸（電量）的讀數(shù)為（即圖1）中的線段，縱軸比例尺為，樣品的電極面積為，則剩余極化強(qiáng)度為 () 的測(cè)量：從示波圖上得電滯回線中飽和段外推至?xí)r

8、交于點(diǎn)，測(cè)得所截線段（圖1中線段），測(cè)得其長度為格（即)，設(shè)縱軸比例尺為格。則自發(fā)極化強(qiáng)度為. ()的測(cè)量：設(shè)測(cè)得樣品厚度為 (mm)，巳知示波圖的橫軸（電壓）的比例尺為(V/mm)從示波器圖上量得縱軸（電荷軸）為零時(shí)相應(yīng)的橫軸電壓）的長度（圖1)中的OE線段為(mm)，則矯頑力場(chǎng)強(qiáng)為 ()2. 鐵電體居里的溫度測(cè)量。鐵電壓電陶瓷材料在某一溫度范圍內(nèi)具有鐵電特性，即具有激發(fā)極化和電滯回線的特性。當(dāng)溫度達(dá)到某一臨界值時(shí)，這些材料會(huì)發(fā)生相變，由鐵電相變?yōu)榉氰F電相，自發(fā)極化隨之消失，這一臨界溫度稱為居里（點(diǎn)）溫度或居里點(diǎn)，通常用表示。在居里溫度處，鐵壓電材料的許多物理性質(zhì)（如介電常數(shù)，熱容量，熱膨脹

9、系數(shù)等）都將發(fā)生突變。在有些鐵壓電體中，在低于居里點(diǎn)溫度時(shí)，還可以發(fā)生從一種鐵電相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N鐵電相的相變。如鈦酸鋇在處（居里溫度），由立方順電相變?yōu)樗姆借F電相，然后在附近由四方相變?yōu)檎昏F電相。在處由正交相變?yōu)槿借F電相。這些極化狀態(tài)變化的溫度稱為轉(zhuǎn)變溫度。因此，只要測(cè)定這種突變點(diǎn)的溫度就能定出鐵壓電體材料的居里點(diǎn)的溫度。實(shí)臉表明，在溫度高于居里溫度時(shí)，介電常量和溫度的關(guān)系遵從居里-外斯定律： ()式中為居里常量；為特征溫度，稱為居里-外斯溫度，它等于或者稍低于居里溫度。測(cè)量居里溫度的方法很多，有Sawer-Tower電路示波器觀察電滯回線突變法、傳輸線路法、掃描儀法、電容電橋法，直讀式線性

10、電容儀（自動(dòng)記錄）法、電疇觀察法、熱膨脹系數(shù)突變測(cè)量法，等等。本書僅介紹第一種方法。此種方法的原理是：當(dāng)鐵電壓電材料的溫度高于居里溫度時(shí)，它的自發(fā)極化消失，電滯回線也就消失，測(cè)出剛剛消失時(shí)的這個(gè)溫度便為居里溫度。測(cè)量方法如下：（1）使用圖3的線路，將試樣放在帶有自動(dòng)控溫的烘箱或電爐內(nèi)（材料的居里溫度不高時(shí)用烘箱，居里溫度高時(shí)用電爐），在居里點(diǎn)附近逐漸升溫，根據(jù)樣品尺寸大小，在每個(gè)溫度點(diǎn)保持3 5分鐘，以保證試樣體內(nèi)外溫度均勻，逐點(diǎn)試驗(yàn)直至示波器上電滯回線消失為止記下此時(shí)的溫度。（2）將加熱器溫度升高，使高于居里溫度，然后逐漸降溫，每個(gè)溫度點(diǎn)保持5 10分鐘，直至示波器上又出現(xiàn)電滯回線，記下此時(shí)

11、溫度。（3）按下式算出試樣居里溫度 (). )二、實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)所需儀器設(shè)備及材料包括鐵電體電滯回線實(shí)驗(yàn)儀、計(jì)算機(jī)、示波器、電爐、BaTiO3樣品、打印機(jī)等。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 電滯回線的測(cè)量。（1）裝上樣品（BaTiO3，<120），在室溫下調(diào)出恰當(dāng)?shù)碾姕鼐€。（2）用計(jì)算機(jī)描繪電滯回線(X軸用電場(chǎng)強(qiáng)度V/mm定標(biāo)，Y軸用極化強(qiáng)度定標(biāo)），并從回線上求出樣品的自發(fā)極化強(qiáng)度，剩余極化強(qiáng)度及矯頑場(chǎng)。（3）測(cè)量樣品的厚度、面積，輸入軟件中，自動(dòng)計(jì)算出樣品的自發(fā)極化強(qiáng)度，剩余極化強(qiáng)度及矯頑場(chǎng)。標(biāo)準(zhǔn)電容為 11。*2. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)訓(xùn)練。設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，用Sewer-Tower電路示波器觀察電滯回線突變法測(cè)居里溫度。四、思考與討論1. 什么是鐵電體？鐵電體的主要持征是什么？如何判斷一種晶體是否是鐵電體？2. 什么是鐵電疇？什么是單疇？什么是多疇？3. 本實(shí)驗(yàn)中居里溫