《铁电材料测试》PPT课件

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1、第五章铁电压电材料参数的测量§5-1铁电材料参数的测量铁电性：在一定温度范围内具有自发极化，而且其自发极化方向可以因外电场变化而转向，这种特性称为铁电性。铁电体：具有铁电性的晶体材料。铁电电畴结构示意图Ba0.6Sr0.4TiO3薄膜的压电像:(a)形貌像；(b)面内极化；(c)面外极化铁电陶瓷的SEM铁电体的电滞回线电滞回线是铁电体的重要特征和重要判据之一。Ec随着新型铁电材料的不断涌现，正确地获得材料的电滞回线和铁电参数是人们愈来愈关心的问题之一。自发极化强度Ps剩余极化强度Pr矫顽场强EC相对介电系数εr损耗角正切tgδ5-1-1

2、电滞回线的特征和构成铁电体中，除电畴反转过程所导致的极化以外，还存在着感应极化、铁电体的损耗极化。铁电试样的等值电路如图5-3所示。RxCxiCxsU图5-1铁电试样的等效电路Cxs：与电畴反转过程相对应的等值电容；Cxi：与线性感应极化相对应的等值电容；Rx：与试样的漏电导和感应极化损耗相对应的等值电阻如果在试样两端加上正弦交变电压则在试样两端的电荷Q将由三部分组成：Qs:电畴反转过程所提供的电荷Qi:感应极化过程所提供的电荷Qr:电导和感应极化损耗所失去的电荷(5-1-1)RxCxiCxsU图5-1铁电试样的等效电路(1)Qs：当电

3、畴的反转速度比电场的变化快时，电畴反转过程所提供的电荷Qs为一畸变了的矩形波(5-1-2)式中为电畴反转的滞后角，即电畴反转过程所造成的损耗角；a、b、c等为相应谐波的振幅修正系数；α、β、γ等为相应谐波的相位修正系数。图5-2Qs和Q的波形Qs的波形如图5-2a所示。当a＝b＝c=……=1，α＝β＝γ＝……=1时，Qs为一理想的矩形波。这相当于单畴的情况。这时电荷Qs与电压U的关系如图5-3a所示。这是一个理想的电滞回线。图5-3电荷Qs、Qi和Qr与电压的关系QsQsUUcQiUQrU(a)(b)(c)(2)Qi：感应极化所提供的电

4、荷Qi与电容Cxi和电压U成正比：Qi为一正弦波。Qi与U的关系如图5-3b所示，关系曲线为一通过原点的直线。(3)Qr:电导和感应极化损耗所失去的电荷。Qr为一余弦波。Qr与U的关系如图5-3c所示，关系曲线为一椭圆。(5-1-3)(5-1-4)因此，试样两端的全电荷：如令(5-1-5)则(5-1-6)图5-4全电滞回线QUQsUc式中，为电导和感应极化损耗所形成的损耗角。全电荷Q由Qs、Qi、Qr三部分叠加而成的。Q和电压U的关系曲线即把图5-3a、b、c所示的这三部分叠加起来，得到如图5-4所示的全电滞回线。目的：研究与电畴反转过

5、程有关的各种现象，即与Ps有关的参数Qs和与EC有关的参数UC。只有电荷Qs与电压U的关系才真正反映电畴的反转过程。试样的全电滞回线包含了Qi和Qr的影响。Qi使得Qs的饱和支、上升支和下降支发生倾斜。而Qr使Qs的饱和支畸变成一个环状端，使测试值偏高。当Qi和Qr很大时，Q和U的关系将与Qs和U的关系相差很大，以致淹没了电畴反转过程的特征，形成一个损耗椭圆。5-1-2电滞回线的测定示波器法(Sawyer—Tower电路法)，即用示波器直接观察电滞回线，其测量线路原理如图5-5所示。示波器垂直偏向板上的电压与铁电体样品上的电荷Q(或极化

6、强度P)成正比；示波器水平偏向板上的电压与加在样品上的电压(或电场强度E)成正比。如果电容C0选择合适，那么电压每变化一个周期，可在示波器荧光屏上显示出电滞回线图形来。图5-5简单的Sawyer-Tower电路WCxC0示波器的X方向:外加电压示波器的Y方向:C0上的电压Cx:铁电电容C0:标准电容C0>>Cx为了正确测定铁电体的特征参数Qs(或Ps)及UC(或EC)，必须把全电荷Q中的电荷Qi、Qr抵消掉，再测出Qs与电压U的关系。消除Qr和Qi的方法很多，下面介绍两种适合于高低损耗测量要求的方法。一、电阻补偿法在标准电容器C0的两端

7、并联一个电阻R0，如图5-6所示。电路要求:C0>>Cx由于C0>>Cx，外加电压几乎全加在试样上，而电容C0两端的电压加在示波器Y轴上，即Y轴上电压与标准电容C0两端的电荷成正比。由于串联电容极板上的电荷相等，因此加到Y轴上的电压必然与试样Cx两端的电荷成正比。图5-6电阻补偿的Sawyer-Tower电路C0:标准电容器Cx:铁电试样的电容C0>>CxUR0R0C0CxiCxsRxR1R2WUCx并联电阻R0后，按电流连续原理应有：(5-1-7)解微分方程可得：(5-1-8)把式(5-1-6)代入式(5-1-8)，当电路达到稳态，这

8、时电压式中(5-1-9)比较Q和UR0的表示式(5-1-6)和式(5-1-9)可见，相移、、等的存在，使Q和UR0不能成正比，电压UR0不能正确地反映全电荷Q的变化规律。如果使相角,即:(5-1-10)或(