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材料的性能与表征课程教学大纲一、课程说明（一）课程名称、所属专业、课程性质、学分；课程名称：材料的性能与表征所属专业：材料化学课程性质：专业基础课学分：2（二）课程简介、目标与任务：材料的物理性能是材料的重要性能之一。
外接因素（温度、电场、磁场等）作用于材料，引起材料内部原子、分子、电子的微观运动状态的改变，在宏观上表现为一定的感应物理量，即呈现某一物理性能。
具体地讲，最常见的材料物理性能有材料的电性能、介电性能、光学性能、热学性能、磁学性能以及弹性性能，每一种物理性能对应一定的物理基础。
而材料的物理性能强烈依赖于物质不同层次的结构组成，同时也受环境因素的强烈影响。
每一种材料物理性能都具有一定的分子和测试方法，而物理性能分析也是材料研究的重要手段。
通过本课程的学习，对材料的电性能、介电性能、光学性能、热学性能、磁学性能以及弹性性能的物理本质和表征参量、影响因素、分析测试方法有较全面地认识，并了解物理性能分析在材料研究中的应用。
（三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接：先修课程：力学，热学，电磁学，普通物理(光学与原子物理)，材料科学基础（四）教材与主要参考书。
教材：刘勇，陈国钦编著. 材料物理性能. 北京：北京航空航天大学出版社, 2015.09主要参考书：吴雪梅主编；诸葛兰剑等编著. 材料物理性能与检测. 北京：科学出版社, 2012.01.关振铎，龚江宏，唐子龙著. 无机材料物理性能第2版. 北京：清华大学出版社, 2011.06.高智勇，隋解和，孟祥龙编著. 材料物理性能及其分析测试方法. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社, 2015.11.二、课程内容与安排第1章绪论（一）教学方法与学时分配课堂授课，1学时（二）内容及基本要求主要内容：简要介绍本课程的主要内容，学习本课程的意义和目的，以本课程的学习方法。
【了解】：本课程的主要内容，本课程的学习方法。
【一般了解】：学习本课程的意义和目的第2章材料的电性能2.1 电导率和载流子2.2 电子类载流子导电2.3 离子类载流子导电2.4 半导体2.5 超导体2.6 导电性的测量2.7 电阻分析的应用2.8 延伸阅读（一）教学方法与学时分配课堂授课，5学时（二）内容及基本要求主要内容：主要讲述电子类载流子导电、离子类载流子导电、半导体、超导体的导电机制及影响因素，导电性的测量方法及电阻分析的应用。
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 。
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。
铁电材料的性能研究和优化铁电材料是近年来备受关注的一类功能材料。
它具有电极化反转和pi电荷重分布的特性，有很高的压电和介电常数，在微电子电路、数据存储和传感器等领域有广泛的应用前景。
然而，铁电材料的性能优化仍是一个挑战，探索如何有效地提高其性能是当前铁电材料研究的热点和难点之一。
在本文中，我将围绕铁电材料的性能研究和优化这一主题进行讨论。
一、铁电材料的结构和性质铁电材料是一类具有铁电性质的无机材料，具有多晶、单晶或薄膜等多种形态。
在其结构上，铁电材料通常采用ABO3的结构，其中A代表Ba、Sr等极性大正离子，B代表Ti、Zr等过渡金属离子，O代表氧离子。
由于这种结构中B离子的电子结构，铁电材料在外电场作用下会表现出自发的电极化反转现象，从而具有压电、介电、铁电等多种性质。
在实际应用中，铁电材料的性能取决于其微观结构、晶体缺陷、材料形貌等多个因素。
其中，晶体缺陷是影响铁电材料性能的关键因素之一。
在晶体中，不同种类的缺陷会影响材料的电导率、介电常数、压电常数等多种性质，从而影响材料在不同的应用场景中的性能表现。
二、铁电材料的性能研究方法铁电材料的性能研究和优化是一个涉及多个层面和方面的工作，需要借助多种技术手段和实验方法。
以下是一些常用的铁电材料性能研究方法：1. X射线衍射：X射线衍射是一种常用的表征材料晶体结构和微观缺陷的方法。
通过X射线衍射，可以得到材料的晶体结构、晶面间距和材料中的缺陷类型等信息。
2. 透射电镜：透射电镜是一种高分辨率的电子显微镜技术，可以用于观察材料的微观结构和缺陷形貌。
通过透射电镜，可以观察到铁电材料的晶界、位错和孪晶等缺陷，并进一步探索这些缺陷对材料性能的影响。
3. 介电和压电性能测试：介电和压电性能测试是评估铁电材料性能的主要方法之一。
在介电测试中，可以测量材料在外电场下的介电常数和介电损耗，从而评估其应用于电容器、电缆等领域的适用性。
在压电测试中，可以测量材料在外力作用下的压电常数和压电系数，从而评估其应用于超声传感器、振动器等领域的性能表现。
材料性能与表征无机材料物理性能教学大纲一、课程介绍《材料性能与表征》是材料类专业学生的学科基础课程。
本课程主要介绍材料的力学、热学、光学、磁学、电学的特性和表征方法，目的是使学生充分认识材料的物理性能以及这些性能在人类物质生活中的意义，学会利用这些知识解释有关材料的许多现象，认识材料的宏观性能与微观机制的联系，为材料的合成、制备、加工和应用指明方向。
主要内容包括：材料的受力变形、材料的脆性断裂与强度，材料的热学性能，材料的光学性能，材料的磁学性能，材料的电学性能等。
教学部分共含32个理论学时，16个实践环节学时。
Introduction“Properties and Characterization of Materials” is the main professional fundamental course for materials science and engineering students. This course mainly introduces the mechanical, thermal, optical, electrical and magnetic properties and characterization method of materials. The main purpose of this course is to make students fully understand the physical properties of materials and theirs significance in human materials life, learn to explain many phenomena of the materials by these knowledge, to understand the relationship between the macroscopic properties and microscopic mechanisms of materials, and to point out the directions for the synthesis, preparation, processing and application of the materials. The main contents of this course are listed as follows: stress deformation of materials, brittle fracture and strength of materials, thermal properties of materials, optical properties of materials, magnetic properties of materials, electrical properties of materials. The teaching part of this course includes 32 theoretical credit hours and 16 practical credit hours.课程基本信息二、教学大纲1、课程目标1）掌握材料性能的基本理论及其主要影响因素，培养学生对抽象问题的认识，使学生能够针对具体的材料工程问题，建立数学模型并求解。
铁电材料实验报告一、引言铁电材料是一类具有特殊性质的材料，在应用领域具有重要意义。
本次实验旨在了解铁电材料的基本特性以及其在电学和光学领域中的应用。
二、实验目的1. 了解铁电材料的基本特性；2. 掌握铁电材料的制备方法；3. 探究铁电材料在电学和光学领域的应用。
三、实验设备和材料1. 设备：电源，示波器，多用电表；2. 材料：铁电材料A，铁电材料B，导线，光源，反射镜，样品支架。
四、实验步骤1. 铁电材料的基本特性实验1. 将铁电材料A接入电源，通过示波器观察电压-时间曲线；2. 测量铁电材料A的矫顽场和饱和极化强度。
2. 铁电材料的制备方法实验1. 准备铁电材料B的原料，并按照制备工艺将其制备成铁电材料B；2. 对制备的铁电材料B进行物理性质测试。
3. 铁电材料的应用实验1. 将铁电材料A与导线连接，接入电源，测量其导电性能；2. 使用光源和反射镜对铁电材料A进行光学实验，观察其光学性质。
五、实验结果与分析1. 铁电材料的基本特性实验结果分析根据测量结果，铁电材料A在施加电场的情况下会出现极化现象，并且在达到一定的电压时会发生矫顽，这表明铁电材料A具有铁电特性。
2. 铁电材料的制备方法实验结果分析通过制备的铁电材料B的物理性质测试，可以得知其晶体结构和组分成分是否符合要求，并且通过对比实验结果可以评估制备工艺的效果。
3. 铁电材料的应用实验结果分析铁电材料A在导电性能实验中表现出良好的导电性能，在光学实验中显示出对特定波长的光有较好的吸收能力，这表明铁电材料A在电学和光学领域具有潜在的应用前景。
六、实验结论1. 铁电材料具有特殊的铁电特性，能够在电场作用下发生极化和矫顽现象；2. 铁电材料的制备需要严格控制晶体结构和成分组成；3. 铁电材料在电学和光学领域中具有潜在的应用前景。
七、实验总结本次实验通过对铁电材料的基本特性、制备方法和应用领域的研究，深入了解了铁电材料的特性及其在实际应用中的潜力。
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。
实验10.2 铁电薄膜铁电性能的表征一、引言铁电体（Ferroelectrics）是这样一类材料：在一定温度范围内存在自发极化，且自发极化具有两个或多个可能的取向，在电场作用下其取向可改变。
铁电体并不含“铁”，只是它与具有磁滞回线的铁磁体相类似，具有电滞回线，因而称为铁电体（Ferroelectrics）。
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（Curie Weiss）定律。
铁电相与顺电相之间的转变通常为铁电相变，转变温度称为居里温度或居里点T。
铁电体即使在没有外电场的作用下，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材料的晶体结构有关的。
第一个铁电体是1655年住在法国Rochelle的药剂师Seignett所发现的罗息盐（酒石酸钠钾NaKC4H4O6+4H2O），自本世纪20年代发现它的铁电性以来，铁电研究经历了四个阶段：第一阶段为1920至1939年，发现了两种铁电结构，即罗息盐和KH2PO4（KDP）系列；第二阶段发现了不含氢键，具有多个铁电相的铁电体BaTiO3，在这阶段开始建立有关铁电体的唯象理论并趋于成熟；到了70年代包括钙钛矿结构的PbTiO3系列，钨青铜系列在内的大量铁电体被发现，同时在相应理论方面Coheran和Anderson提出铁电软模理论并得到完善；第四阶段为80年代至今，研究集中于铁电液晶、聚合物复合材料、薄膜材料和异质结构等非均匀系统。
图1 钛酸铅的晶体结构晶体的对称性可以划分为32种点群。
在无中心对称的21种点群的晶体类型中除432点群外其余20种都有压电效应，其中有10种具有极性的晶体（点群1，2，m，3，3m，mm2，4，4mm，6，6mm）具有热释电性。
它们具有自发极化，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，才能显示出固有极化，这可以通过测量一闭合回路中流动的电荷来观测。
铁电材料的制备及性能表征研究
铁电材料是一类非常有前途的材料，它们具有独特的电学和磁学性质，以及较高的热稳定性和化学稳定性。
在电子器件，存储器，传感器等领域的应用前景非常广阔。
但是，铁电材料的制备和性能表征对于科学家而言依旧是一个不容易解决的难题。
一、铁电材料的制备
铁电材料的制备可以通过多种方法实现。
其中，溶胶-凝胶法是一种常用的制备方法。
对于铁电材料的合成，通常会制备出钛酸钡（BaTiO3），铌酸锂（LiNbO3）和氧化钨（WO3）等材料。
所谓的溶胶-凝胶法，顾名思义，就是通过化学反应溶解材料的高浓度溶液制备粉末。
该方法的主要优势在于较低的成本，而且能够控制粉末的粒径和分散性。
二、铁电材料的性能表征
铁电材料的性能主要包括铁电性和磁性。
其中，铁电性是指铁电材料在外电场作用下产生极性分布的事实，即它们具有极性和多畴性。
而磁性则是指铁电材料的磁场性质，即它们在外磁场作用下呈现出各种磁性。
一个好的性能表征需要使用一系列的实验方法来测试材料的性能。
例如，铁电性可以通过测量带电极和偏置电压下的极化值来
确定铁电材料的特性。
而磁性则可以通过各种磁性实验进行测试。
总的来说，铁电材料的制备和性能表征是非常复杂和困难的研
究工作。
但是，随着技术的不断进步和发展，这一领域的未来前
景依旧非常广阔，值得继续深入研究。
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。
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。
铁电材料及其表征和应用铁电材料是一类具有特殊电性质的材料，其在外加电场作用下能够产生可逆的电荷迁移。
这种材料具有独特的铁电性质，可广泛应用于电子器件、传感器、存储器和能源转换等领域。
本文将对铁电材料的特性、表征方法以及其在各个领域的应用进行探讨。
首先，我们来了解一下铁电材料的特性。
铁电材料具有两个稳定的极化状态，即正极化和负极化。
在外加电场作用下，这些材料能够发生极化反转，实现由正极化向负极化的切换，或者相反。
这种可逆的极化反转使得铁电材料在电子器件中具有重要的应用前景。
此外，铁电材料还表现出优异的压电效应和热释电效应，可应用于传感器和能源转换器件。
接下来，我们将讨论铁电材料的表征方法。
常用的表征铁电性能的方法包括X射线衍射、扫描电子显微镜、原子力显微镜等。
X射线衍射可以用来确定铁电材料的结晶结构和晶格参数；扫描电子显微镜可以观察材料的表面形貌和微观结构；原子力显微镜则可以提供材料的纳米尺度拓扑结构信息。
此外，电性能测试也是评价铁电材料性能的重要手段，其中常用的测试方法包括等电位法、压电谐振法和电流-电压特性测试法，这些方法可以分析材料的极化行为和电场响应。
在应用方面，铁电材料已经在各个领域展现出了广阔的前景。
首先，铁电材料在电子器件中的应用可实现高密度的信息存储和快速的数据传输。
例如，铁电随机存储器（FeRAM）能够在关机状态下永久保存数据，具有低功耗、高速度和长寿命的优点。
另外，铁电材料还可用于智能传感器的制备，用于测量温度、压力、湿度和应变等物理量。
此外，铁电材料还在能源转换领域发挥着重要作用，例如用于压电发电、热电发电和光伏发电等。
除了上述应用领域，铁电材料还在其他一些重要的领域中发挥着独特的作用。
在生物医学领域，铁电材料可用于制备生物传感器、生物成像和药物释放系统。
例如，铁电纳米颗粒可以用于靶向肿瘤治疗，通过外加电场调控铁电颗粒释放药物，实现精确的治疗效果。
此外，在环境保护领域，利用铁电材料的光催化性能可实现高效的光催化降解有害物质，为水资源的净化和大气污染控制提供解决方案。
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。
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 。
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s P 。
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c E 。
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10.1-1 铁电体的电滞回线
图10.1-2 Sawyer-Tower 电路原理图
电滞回线可以用图10.1-2的装置显示出来（这就是著名的Sawyer-Tower 电路），以铁电晶体
作介质的电容x C 上的电压V 是加在示波器的水平电极板上，与x C 串联一个恒定电容y C (即普通
电容)，y C 上的电压V y 加在示波器的垂直电极板上，很容易证明y V 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x V 与加在铁电体上外电场强成正比，因
而就可直接观测到E P −的电滞回线。
下面证明y V 和P 的正比关系，因
y
x x
y x y C C j C j V ==ωω11
(10.1-1) 式中ω为图中电源V 的角频率
d S
C x 0εε=
(10.1-2) 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（10.1-1）式得：
E C S d V C S C C V y x y x Y
x y 00εεεε=== (10.1-3) 根据电磁学 E E E P χεεεεε000)1(=≈−=
(10.1-4)
对于铁电体>>ε1，故有(10.1-4)近似等式，代入（10.1-3）式得：
P C S V y
y = (10.1-5)
因S 与y C 都是常数，故y V 与P 成正比。
(2) 居里点c T
当温度高于某一临界温度c T 时,晶体的铁电性消失。
这一温度称为铁电体的居里点。
由于铁电
性的消失或出现总是伴随着晶格结构的转变，所以是个相变过程。
已发现铁电体存在两种相变：一
级相变伴随着潜热的产生，二级相变呈现比热的突变，而无潜热发生，又铁电相中自发极化总是和
电致形变联系在一起，所以铁电相的晶格结构的对称性要比非铁电相为低。
如果晶体具有两个或多
个铁电相时，最高的一个相变温度称为居里点，其它则称为转变温度。
五、测试方法
铁电薄膜材料的测量仪主要包括可编程信号源、微电流放大器、积分器、放大倍数可编程放
大器、模/数转换器、数/模转换器、微机接口部分、微机和应用软件等部分组成.系统框图见图 10.1-3，硬件系统由一台计算机、一片带A/D 、D/A 及开关量控制输出功能的计算机接口卡和信号调理电路部分组成。
图10.1-3 铁电性能测量仪结构框图
（2） 测量电路
目前，测量电滞回线的方法较多。
其中测试方法简单、应用最广泛的是Sawyer-Tower 电路，
如图10.1-4所示，其中虚框部分为铁电薄膜样品的等效电路，Xi C 为线性感应等效电容，X R 为铁
电薄膜样品的漏电导及损耗等效电阻，XS C 为与自发极化反转对应的非线性等效电容。
图10.1-4 Sawyer-Tower 电路（虚框中为铁电薄膜样品等效电路）
在理想情况下，若只考虑XS C 的作用（认为Xi C 与X R 开路），很容易证明y U 与铁电薄膜样品
的极化强度P 成正比。
但一般情况下，铁电薄膜样品同时具有漏电导和线性感应电容，如果要获得
铁电薄膜样品的本征电滞回线，必须在测量过程中对样品的漏电导和线性感应电容进行合适的补
C的选取和精度会影响测试的偿，这在实际测量中是较难处理的。
另外，此电路中外接积分电容
精确度，当然给铁电薄膜样品提供的信号源U的频率对测试结果也有很大的影响，这样就较难对测试结果进行标定和校准。
图10.1-5电滞回线测量电路（虚框中为铁电薄膜样品等效电路） 为此我们选用如图10.1-5所示的测量电路，此电路由信号源U、被测样品、电流放大器和积
U进入测量分器组成。
信号源U提供给被测样品的电流经电流放大器放大再经积分器积分后得到
y
系统。
即使被测样品端加的电压U为零，积分器上仍然维持电压，被测样品端是虚地的，因此此
C，可减小寄生元件的影响。
此电路的测试精测试电路可称为虚地模式。
此电路取消了外接电容
C的精度，减少了对测试的影响环节，比较容易标定和校准，并且能度仅取决于积分器积分电容
1
实现较高的测量准确度。
六、指导学生完成实验
七、检查实验数据、实验仪器。
教师签字认可。
【复习思考】
1.铁电体的电滞回线和温度有无关系，为什么？
2.试画出铁电薄膜样品的等效电路并分析其各个部分对铁电薄膜样品性能的影响。
3.测量过程中引线分布电容对测量结果有无影响？如何消除此影响？
4.在用溶胶-凝胶法制备PbTiO3薄膜过程为何要加入一定的稳定剂?
5.影响铁电薄膜性能的主要因素是什么？
6.在制膜过程中,退火温度和退火时间对薄膜结构和性能有什么影响?
【教学后记】。
