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铁电材料性能测试与表征-河南大学精品课程网铁电材料性能测试与表征【实验目的】1、了解铁电薄膜材料的功能和应用前景。
2、理解什么是铁电体，理解掌握电滞回线及其测量原理和方法。
3、掌握用溶胶-凝胶法制备PbTiO3薄膜。
4、学会用多种测试手段对PbTiO3薄膜进行结构分析和铁电性质表征。
【教学重点】1.铁电薄膜材料的性质和应用；2.溶胶-凝胶制备铁电薄膜的方法；3.铁电薄膜性质测试分析方法。
【教学难点】溶胶-凝胶制备薄膜工艺【时间安排】6学时【教学内容】一、检查学生预习情况检查预习报告。
二、学生熟悉实验仪器设备匀胶机，快速退火炉，X射线衍射仪（X R D）,扫描电子显微镜（S E M）,铁电测试仪等。
三、讲述实验目的和要求1.选用结晶乙酸铅、钛酸丁酯为离子源。
2.将结晶乙酸铅按所需比例称量，加入乙二醇乙醚，加热至80℃时乙酸铅溶解，118℃时乙酸铅中的结晶水挥发。
3.缓慢加入钛酸丁酯，并不停搅拌，124℃时乙酸丁酯挥发，铅钛复醇盐形成，135℃时溶剂挥发，冷却至室温。
4.加一定量的稀释剂和稳定剂，配成0.2mol/L的溶液。
5.用匀胶机多次甩胶成膜。
6.快速退火炉，450℃～700℃下热处理制成PbTiO3薄膜。
7.分别用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、对PbTiO3薄膜进行结构和形貌分析和观察。
8.用铁电测试仪对其铁电性进行分析。
四、实验原理铁电体的极化随外电场的变化而变化，但电场较强时，极化与电场之间呈非线性关系。
在电场作用下新畴成核生长，畴壁移动，导致极化转向。
在电场很弱时，极化线性地依赖于电场，见图(10.1-1) ,此时可逆的畴壁移动成为不可逆的，极化随电场的增加变得比线性段快。
当电场达到相应于B 点值时，晶体成为单畴，极化趋于饱和。
电场进一步增强时，由于感应极化的增加，总极化仍然有所增大(BC 段)。
如果趋于饱和后电场减小，极化将循CBD 段曲线减小，以致当电场为零时，晶体仍保留在宏观极化状态，线段OD 表示的极化称为剩余极化r P 。
铁电测试原理
铁电测试是一种用于测量铁电材料性质的测试方法。
铁电材料具有自发电偶极矩，并且能够在外加电场作用下产生电介质极化。
铁电测试主要通过测量材料的极化行为来评估其铁电性能。
铁电测试的基本原理是利用外加电场对铁电材料产生的极化效应进行检测。
在测试中，首先将待测试的铁电样品放置在测试装置中，并施加一个恒定电场。
然后，通过测量样品中的极化电荷或极化电流来评估铁电材料的性能。
常用的铁电测试方法包括极化-电压（P-V）测试和迭代抗收叠（PUND）测试。
在P-V测试中，通过改变施加在材料上的电
场大小，并测量相应的极化电荷或电流来建立极化-电压曲线。
这个曲线反映了材料的极化-电场关系，并可用于确定铁电材
料的极化特性。
PUND测试是一种动态测量方法，它通过施加一系列周期性电场脉冲来测量材料的极化响应。
在测试过程中，每个脉冲都会产生一个极化响应，而材料的极化水平则是通过不同脉冲之间的极化响应差异来确定的。
PUND测试可以提供更详细的铁电材料性能信息，如退极化电场、饱和极化和铁电畴切换等。
通过铁电测试，可以评估铁电材料的极化特性、响应时间、电介质的稳定性以及疲劳行为等。
这些测试结果对于理解铁电材料的性能、优化材料制备工艺和应用于电子器件中具有重要意义。
物理实验技术中的铁电材料测量与实验方法引言：铁电材料作为一种特殊的功能材料，在电器和电子工业中有着广泛的应用。
为了研究和探索铁电材料的特性，科学家们开展了一系列的物理实验，并借助先进的测量和实验方法来获得准确和可靠的数据。
本文将介绍物理实验技术中常用的铁电材料测量与实验方法，并探讨它们的原理和应用。
一、铁电材料的基本特性和测量铁电材料具有独特的电极化特性，能够在外界电场的作用下发生自发极化。
为了测量铁电材料的电极化行为，通常使用电压-电荷曲线来描述材料的电极化状态。
常用的测量方法包括极化曲线测量和退极化曲线测量。
极化曲线测量是在不同的偏置电压下，测量材料的产生和消除极化的电荷量。
退极化曲线测量则是通过在一个初始电场下测量极化电荷，然后通过改变电场方向来观察电荷的变化。
这些测量方法能够提供有关铁电材料的极化行为和电压响应的重要信息。
二、电容法和介电谱测量电容法是一种常见的测量铁电材料性质的方法。
它通过测量材料的电容来推断材料的电极化状态。
电容法可以分为恒压法和交流法两种。
恒压法是通过在铁电材料上施加一个固定的电压，然后测量电容的变化来推断材料的电极化行为。
交流法则是通过施加交流电压，并测量材料的电容和电导率来得到材料的介电常数和损耗因子。
这些测量方法广泛应用于铁电材料的电容性能和其频率响应的研究中。
三、X射线衍射测量与结构分析X射线衍射是一种常用的分析方法，可以用于表征铁电材料的晶体结构和晶格参数。
这种方法可以通过材料对入射X射线的散射进行测量，从而确定材料的晶体结构和晶格常数。
X射线衍射方法常用的设备包括X射线衍射仪和衍射图谱仪。
X射线衍射仪通过测量材料对入射X射线的散射角度和强度来获得样品的衍射图谱。
衍射图谱仪则用于解析和分析衍射图谱，从而确定材料的晶体结构和晶格参数。
四、压电力显微术的应用压电力显微术是一种常用的表征铁电材料性质的方法，可以用于研究材料的电极化状态和压电响应。
这种方法利用原子力显微镜的力传感器，可以测量材料在外界电场或者压力作用下产生的微小位移或变形。
实验⼀材料的铁电性能测量实验⼀陶瓷的铁电性能测试1．原理铁电体是在⼀定温度范围内含有能⾃发极化、并且⾃发极化⽅向可随外电场可逆转动的晶体。
在铁电态下，晶体的极化与电场的关系有图1的形状，称为电滞回线。
构成电滞回线的⼏个重要参数饱和极化强度（⾃发极化强度）P s、剩余极化强度P r、矫顽电场E c，是衡量铁电体铁电性能的重要参数。
2．实验仪器设备本实验采⽤美国Radiant公司⽣产的铁电测试系统，该系统由精密⼯作站、⾼压⼯作界⾯（HVI）、10kV⾼压放⼤器（HV A）三部分组成。
3．测量步骤1) 接通测试系统的电源，打开精密⼯作站的电源开关，起动精密⼯作站。
2) 按下Ctrl＋Alt＋Del，并输⼊密码，登录到WindowsNT，系统会⾃动打开VisionPro 窗⼝（见图１）。
3）把实验样品夹在样品夹上，并确保样品与样品夹接触良好。
4) ⽤⿏标选择“QuikLook”菜单下的“Hysteresis”命令，打开⼀个标题为Hysteresis QuikLook的对话框。
（见图2）5) 在“Hysteresis Task Name”中，写⼊测量任务的名字。
6) 在对话框的右上边的“V oltage Range”选择中，选择“External Amplifier”中的±10000V olts的选项。
图 1图 27) 在“VMax”中，写⼊需要对样品加载的电压值。
8) 在“Hysteresis Period”中，写⼊测量周期。
注：对块状陶瓷样品进⾏⾼压铁电性能测试⼀般需要⼀段较长的持续时间，所以在“Hysteresis Period”中⼀般选择300ms～1000ms。
9) 在“Area”中，写⼊样品的⾯积；在“Thickness”中，写⼊样品的厚度。
10) 在对话框的右下边，取消“Auto Amplification”的选择,在“Amp. Level”的选项中选择×0.001的放⼤倍数，然后在选择“Auto Amplification”。
铁电薄膜的铁电性能测量实验目的一、了解什么是铁电体，什么是电滞回线及其测量原理和方法。
二、了解铁薄膜材料的功能和应用前景。
实验原理一、铁电体的特点1．电滞回线铁电体的极化随外电场的变化而变化，但电场较强时，极化与电场之间呈非线性关系。
在电场作用下新畴成核长，畴壁移动，导致极化转向，在电场很弱时，极化线性地依赖于电场见图(12.2-1) ,此时可逆的畴壁移动成为不可逆的，极化随电场的增加比线性段快。
当电场达到相应于B点值时，晶体成为单畴，极化趋于饱和。
电场进一步增强时，由于感应极化的增加，总极化仍然有所增大(BC)段。
如果趋于饱和后电场减小，极化将循 CBD段曲线减小，以致当电场达到零时，晶体仍保留在宏观极化状态，线段OD表示的极化称为剩余极化Pr。
将线段CB外推到与极化轴相交于E，则线段OE 为饱和自发极化Ps。
如果电场反向，极化将随之降低并改变方向，直到电场等于某一值时，极化又将趋于饱和。
这一过程如曲线DFG所示，OF所代表的电场是使极化等于零的电场，称为矫顽场 Ec。
电场在正负饱和度之间循环一周时，极化与电场的关系如曲线CBDFGHC所示此曲线称为电滞回线。
图12.2-1 铁电体的电滞回线V图12.2-2 电滞回线的显示电滞回线可以用图12.22-2的装置显示出来（这就是著名的Sawyer-Tower 电路），以电晶体作介质的电容C x 上的电压V 是加在示波器的水平电极板上，与C x 串联一个恒定电容C y (即普通电容)，C y 上的电压V y 加在示波器的垂直电极板上，很容易证明V y 与铁电体的极化强度P 成正比，因而示波器显示的图象，纵坐标反映P 的变化，而横坐标V x 与加在铁电体上外电场强成正比，因而就可直接观测到P-E 的电滞回线。
下面证明V y 和P 的正比关系，因y xxy x y C C C C V V ==ωω11(12.2-1)式中ω为图中电源V 的角频率dSC x 0εε=ε为铁电体的介电常数,0ε 为真空的介电常数,S 为平板电容x C 的面积，d 为平行平板间距离，代入（12.2-1）式得： E C S d V C S V C C V yx y x Y x y 00εεεε===(12.2-2) 根据电磁学E E E P χεεεεε000)1(=≈-= (12.2-3) 对于铁电体>>ε1，固有后一近似等式，代入（12.2-2）式 ， P C SV yy =因S 与y C 都是常数，故Vy 与P 成正比。
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。
第五章铁电材料测试铁电材料测试是研究铁电材料性能和特性的关键步骤。
通过测试，可以评估材料的电学特性、热学特性以及结构特性等，为进一步研究和应用铁电材料提供重要参考。
铁电材料测试主要包括电学测试、热学测试和结构测试三个方面。
首先是电学测试。
电学测试主要是对材料的电介质性能进行评估。
常用的电学测试方法包括压电系数测试、介电常数测试以及铁电相变测试等。
压电系数测试是通过施加外界电场或机械应力来测量材料的压电响应，包括压电应变和压电势的变化。
介电常数测试是通过施加外界电场来测量材料在不同频率下的电极化程度，反映了材料对电场的响应能力。
铁电相变测试是通过改变温度或电场来观察和测量材料的相变行为，包括铁电相变温度、滞回曲线和薄膜电容等。
其次是热学测试。
热学测试主要是对材料的热学性能进行评估。
常用的热学测试方法包括热膨胀测试、热导率测试以及热电测试等。
热膨胀测试是通过测量材料在不同温度下的长度、体积变化来评估材料的热膨胀性能。
热导率测试是通过测量材料在不同温度下的热传导能力来评估材料的热导率。
热电测试是通过测量材料在温度梯度下产生的热电势来评估材料的热电效应，包括热电压和热电流等。
最后是结构测试。
结构测试主要是对材料的结构特性进行评估。
常用的结构测试方法包括X射线衍射（XRD）测试、扫描电子显微镜（SEM）测试以及穆斯堡尔谱测试等。
XRD测试可以通过测量材料的衍射图案来确定材料的晶体结构、晶格参数以及晶体的定向关系。
SEM测试可以通过扫描电子显微镜的镜头对材料的表面形貌和微观结构进行观察和分析。
穆斯堡尔谱测试可以通过测量材料中铁原子的穆斯堡尔谱来确定材料的磁性和铁电性质。
综上所述，铁电材料测试是研究铁电材料性能和特性的重要手段，通过电学测试、热学测试和结构测试等方法可以全面评估材料的性能和特性，为铁电材料的研究和应用提供可靠的数据和参考。
铁电性吴超 131120120 物理学【引言】铁电体是这样一类晶体:在一定温度范围内存在自发极化,自发极化具有两个或多个可能的取向,其取向可能随电场而转向.铁电体并不含“铁”,只是它与铁磁体具有磁滞回线相类似，具有电滞回线，因而称为铁电体。
在某一温度以上，它为顺电相，无铁电性，其介电常数服从居里-外斯（Curit-Weiss）定律。
铁电相与顺电相之间的转变通常称为铁电相变，该温度称为居里温度或居里点Tc。
铁电体即使在没有外界电场作用下，内部也会出现极化，这种极化称为自发极化。
自发极化的出现是与这一类材料的晶体结构有关的。
晶体的对称性可以划分为32种点群。
在无中心对称的21种晶体类型种除432点群外其余20种都有压电效应，而这20种压电晶体中又有10种具热释电现象。
热释电晶体是具有自发极化的晶体，但因表面电荷的抵偿作用，其极化电矩不能显示出来，只有当温度改变，电矩（即极化强度）发生变化，才能显示固有的极化，这可以通过测量一闭合回路中流动的电荷来观测。
热释电就是指改变温度才能显示电极化的现象，铁电体又是热释电晶体中的一小类，其特点就是自发极化强度可因电场作用而反向，因而极化强度和电场E 之间形成电滞回线是铁电体的一个主要特性。
自发极化可用矢量来描述，自发极化出现在晶体中造成一个特殊的方向。
晶体中，每个晶胞中原子的构型使正负电荷重心沿这个特殊方向发生相对位移，使电荷正负重心不重合，形成电偶极矩。
整个晶体在该方向上呈现极性，一端为正，一端为负。
在其正负端分别有一层正和负的束缚电荷。
束缚电荷产生的电场在晶体内部与极化反向（称为退极化场），使静电能升高，在受机械约束时，伴随着自发极化的应变还将使应变能增加，所以均匀极化的状态是不稳定的，晶体将分成若干小区域，每个小区域内部电偶极子沿同一方向，但各个小区域电偶极子方向不同，这些小区域称为电畴或畴，畴的间界叫畴壁。
畴的出现使晶体的静电能和应变能降低，但畴壁的存在引入了畴壁能。
应用物理实验
铁电薄膜的铁电性能测量
铁电体是一类体内存在着自发极化，且自发极化方向在外电场作用下随外电场而转向的材料，电滞回线是铁电体的一个重要特征，是铁电体自发极化在外电场作用下运动的宏观描述。
铁电材料广泛应用于电子技术、光电子技术、微机械电子技术、超声和微波声学技术等方面。
本实验采用TD-88A铁电性能综合测试仪测量铁电薄膜的电滞回线和疲劳特性。
通过实验能使学生了解材料的铁电性质，学习铁电薄膜材料铁电性能
的测量原理，掌握电滞回线的测量
方法，并由此得到铁电薄膜材料的
饱和极化P s、剩余极化P r、矫顽
场E c、漏电流I k等参数。
铁电薄膜的铁电性能测量引言铁电体是这样一类晶体:在一定温度范围内存在自发极化,自发极化具有两个或多个可能的取向,其取向可能随电场而转向.铁电体并不含“铁”,只是它与铁磁体具有磁滞回线相类似，具有电滞回线，因而称为铁电体。
在某一温度以上，它为顺电相，无铁电性，其介电常数服从居里-外斯（Curit-Weiss）定律。
铁电相与顺电相之间的转变通常称为铁电相变，该温度称为居里温度或居里点Tc。
铁电体即使在没有外界电场作用下，内部也会出现极化，这种极化称为自发极化。
自发极化的出现是与这一类材料的晶体结构有关的。
晶体的对称性可以划分为32种点群。
在无中心对称的21种晶体类型种除432点群外其余20种都有压电效应，而这20种压电晶体中又有10种具热释电现象。
热释电晶体是具有自发极化的晶体，但因表面电荷的抵偿作用，其极化电矩不能显示出来，只有当温度改变，电矩（即极化强度）发生变化，才能显示固有的极化，这可以通过测量一闭合回路中流动的电荷来观测。
热释电就是指改变温度才能显示电极化的现象，铁电体又是热释电晶体中的一小类，其特点就是自发极化强度可因电场作用而反向，因而极化强度和电场E 之间形成电滞回线是铁电体的一个主要特性。
自发极化可用矢量来描述，自发极化出现在晶体中造成一个特殊的方向。
晶体红，每个晶胞中原子的构型使正负电荷重心沿这个特殊方向发生位移，使电荷正负中心不重合，形成电偶极矩。
整个晶体在该方向上呈现极性，一端为正，一端为负。
在其正负端分别有一层正和负的束缚电荷。
束缚电荷产生的电场在晶体内部与极化反向（称为退极化场），使静电能升高，在受机械约束时，伴随着自发极化的应变还将使应变能增加，所以均匀极化的状态是不稳定的，晶体将分成若干小区域，每个小区域称为电畴或畴，畴的间界叫畴壁。
畴的出现使晶体的静电能和应变能降低，但畴壁的存在引入了畴壁能。
总自由能取极小值的条件决定了电畴的稳定性。
参考资料[1]钟维烈，铁电物理学，科学出版社，1996。
实验9.3 铁电体电滞回线及居里温度的测量自从1921年了J.Valasek 发现罗息盐是铁电体以来，迄今为止陆续发现的新铁电材料已达一千种以上。
铁电材料不仅在电子工业部门有广泛的应用，而且在计算机、激光、红外、徽波、自动控制和能源工程中都开辟了新的应用领域。
电滞回线是铁电体的主要特征之一，电滞回线的测量是检验铁电体的一种主要手段。
通过电滞回线的测量可以获得铁电体的一些重要参数。
在居里温度处，铁电材料的许多物理性质将发生突变，因此居里温度的测量对研究铁电体的性质有重要的的意义。
通过本实验可以了解铁电体的基本特性，掌握电滞回线及居里温度的一种测量方法。
一、实验目的1、了解铁电体电滞回线的原理；2、掌握铁电体电滞回线和居里温度的测量方法。
二、实验仪器铁电体电滞回线实验仪、计算机、示波器、电炉、BaTiO 3样品等。
三、实验原理1. 电滞回线根据固体物理的知识，全部晶体按其结构的对称性可以分成32类（点群）。
32类中有10类在结构上存在着唯一的“极轴”，即此类晶体的离子或分子在晶格结构的某个方向上正电荷的中心与负电荷的中心重合。
所以，不需要外电场的作用，这些晶体中就已存在着固有的偶极矩S P ，或称为存在着“自发极化”。
如果对具有自发极化的电介质施加一个足够大（如kV/cm)的外电场，该晶体的自发极化方向可随外电场而反向，则称这类电介质为“铁电体”。
众所周知，铁磁体的磁化强度与磁场的变化有滞后现象，表现为磁滞回线。
正如铁磁体一样铁电体的极化强度随外电场的变化亦有滞后现象，表现为“电滞回线”，且与铁电体的磁滞回线十分相似。
铁电体其它方面的物理性质与铁磁体也有某种对应的关系。
比如电畴对应于磁畴。
激发极化方向一致的区域（一般μm 10108--）称为铁电畴，铁电畴之间的界面称为磁壁。
两电畴反向平行排列的边界面称为180°磁壁，两电畴互相垂直的畴壁称为90°畴壁。
在外电场的作用下，电畴取向态改变180°的称为反转，改变90°的称为90°旋转。
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+Ec-PrPE+Pr-EcPS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,铁电畴不发生翻转,电荷Q F不发生改变；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.图3 电荷Q F、Q D、Q C与电压V的关系<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C0联,测量待测样品上的电压降〔V2-V1〕.其中标准电容C0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.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 IntegratorVoltage MeasurementReturnTransimpedanceAmplilier Gain Stage Device under testParasiticcapacitance Drive图6 电滞回线测试脉冲[实验内容及步骤]主要通过操作铁电测试仪控制软件Vision,测量铁电材料的电滞回线并从回线上得出剩余极化强度P r,自发极化强度P s,以及矫顽场E c.调整测试电压强度和频率,得到不同电压强度,不同频率下的电滞回线,研究剩余极化强度P r,和矫顽场E c随电压强度和频率的变化关系.1、启动铁电测试仪,运行铁电测试软件Vision.2、将信号输入端〔Drive〕和接收端〔return〕通过导线连接到待测铁电材料的上下电极.3、运行电滞回线测量程序,设定测试电压强度和频率等参数进行测试.如图7所示.图7 电滞回线测量设置界面4、执行程序得到电滞回线,如图8所示,可以得到该测试条件下的自发极化强度P、剩余极化强度P r和矫顽场E c,导出数据,.图8 电滞回线测试结果5、分别改变测试的电场强度和频率测量一系列电滞回线.[数据处理]将测试数据导出为text格式文件,用Origin或其他作图软件打开,并画出电滞回线图.测量不同条件下的剩余极化强度P r和矫顽场E c,填入下表.分别以电场强度E 和电场频率f为横坐标,以P r和E c为纵坐标画图,观察P r和E c随E和f的变化规律.表1 不同电场强度下的P r和E c值电场强度< E>剩余极化强度<P r>表2 不同电场频率下的P r和E c值[注意事项]根据所测材料的不同选择不同的电压,薄膜一般比较薄〔约几百nm〕,所需电压较低〔约几十伏〕,一般选内置低压电源〔Internal V oltageSource〕,测量范围为0-100 V.陶瓷一般选用经过放大器输出的外部高电压〔External HighV oltage〕,测量范围为0-9999 V.高压测试时务必小心,用耐高压硅油掩盖待测样品,高压输出灯亮时,切勿碰触样品、探针和机箱,以免触电.高压测试时请将低压测试线从主机面板插孔拔出.测试时先从低压测起,逐步提高电压,以防样品被击穿.[思考问题]1．如何从电滞回线得出剩余极化强度、饱和极化强度和矫顽场的大小？2．电滞回线的形状与哪些因数相关,如何判断其铁电性能的好坏？3.电滞回线的面积具有什么物理意义？4.如何建立铁电材料性能和应用之间的联系？。
铁电材料的c-v曲线铁电材料的C-V曲线是描述铁电材料电容-电压特性的曲线。
C-V曲线是指材料的电容量（C）随着施加的电压（V）变化的关系曲线。
铁电材料是一类具有特殊电学性质的材料，具备可变电容性能。
在外加的电场作用下，铁电材料的电容量会发生改变，表现为C-V曲线的变化。
首先，铁电材料的C-V曲线通常具有三个关键区域。
第一个区域是铁电材料的极化区，当施加的电压较小时，材料表现出线性电容效应，即电容量与电压成正比。
这个区域通常被称为线性区，图像上一般表现为一条直线。
第二个区域是铁电材料的饱和区。
当施加的电压超过一定阈值后，材料的电容量不再线性变化，而是逐渐趋于饱和。
在这个区域，电容量的变化很小，几乎不随电压的变化而变化。
这个阈值电压就是铁电材料的压电饱和电压，也被称为压电电压。
第三个区域是铁电材料的开路区。
当施加的电压超过压电饱和电压后，铁电材料会进入开路状态，即电容量变为零。
这个区域通常被称为霍普金斯开路电压。
霍普金斯开路电压是铁电材料在极化状态下的最大电压值。
在实际应用中，铁电材料的C-V曲线对材料的电学性能有重要的指示作用。
通过测量和分析C-V曲线，可以确定材料的铁电特性、电容饱和电压和霍普金斯开路电压等关键参数。
这些参数的确定对于铁电材料的设计、制备和应用至关重要。
此外，C-V曲线的形状还能反映铁电材料的质量和性能。
良好的铁电材料应该具备尽可能大的电容变化范围，即C-V曲线的斜率越大表示电容变化越明显。
这对于一些电容器、传感器和电荷存储器等器件的设计和制造具有重要意义。
在实际测试中，我们可以使用仪器设备通过外加电压来测量材料的电容变化，然后根据得到的电容值绘制出C-V曲线。
通过分析C-V 曲线的形状和特征，我们可以了解铁电材料的性能和应用潜力。
总结起来，铁电材料的C-V曲线是描述其电容-电压特性的曲线，反映了材料对电场作用下的响应和电容量的变化。
通过测量和分析C-V 曲线，可以确定铁电材料的铁电特性和关键参数，为其在电子器件和功能材料中的应用提供重要的参考。
铁电材料的表征及其应用研究概述铁电材料是一类特殊的材料，具有独特的电学性质，可以在外界电场刺激下产生自发的极化效应。
因此，铁电材料在电子器件、储能装置和传感器等领域具有广泛的应用潜力。
本文将重点讨论铁电材料的表征方法以及其在电子器件和传感器方面的研究应用。
第一部分：铁电材料的表征方法1. X射线衍射（XRD）X射线衍射是一种常用的表征铁电材料晶体结构的方法。
通过测量材料的衍射图谱，可以确定材料的晶格常数、晶体结构以及相对晶格位置。
X射线衍射可以提供铁电材料的晶体结构信息，帮助研究人员了解铁电相的性质。
2. 扫描电子显微镜（SEM）SEM是一种常用的表征材料形貌的方法。
它通过扫描电子束在材料表面的散射和透射，获取材料的高分辨率图像。
使用SEM，可以观察到铁电材料的表面形貌、颗粒大小和形状等信息，有助于研究人员了解材料的微观结构。
3. 透射电子显微镜（TEM）TEM是一种用于观察材料微观结构的高分辨率显微镜。
透射电子显微镜通过透射电子束使材料中的原子、晶体和晶界等细节变得可见。
透射电子显微镜可提供关于铁电材料晶格结构、晶界和缺陷的信息，对于研究铁电材料的微观性质非常有帮助。
4. 压电力显微镜（PFM）PFM是一种通过扫描探针测量铁电材料的极化状态的方法。
它利用压电效应，通过控制扫描探针的位置，在材料表面测量极化电荷分布。
PFM可以提供铁电材料的极化反转过程和压电响应的信息，对于研究铁电材料的性质和行为具有重要意义。
第二部分：铁电材料在电子器件中的应用研究1. 铁电存储器铁电存储器是一种利用铁电材料的极化性质来存储数据的设备。
铁电存储器具有非挥发性、高密度、低功耗和快速读写速度等优点。
铁电材料的极化状态可以通过外界电场控制，使得数据的读写更加灵活可靠。
铁电存储器在电子计算机和智能手机等设备中得到了广泛的应用。
2. 铁电电容器铁电电容器是一种利用铁电材料的极化性质来储存电荷的器件。
铁电电容器具有高介电常数、低损耗和快速响应等特点。
