电磁滞回线实验.doc

电磁滞回线实验
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、了解铁电薄膜电滞回线的形状及其产生原因。
实验内容、方法
主要通过计算机操作,调整测试铁电薄膜电滞回线极化电压等各参数,绘制电滞回线,并从回线上得出剩余极化强度强度Pr,自发极化强度Ps,以及矫顽电场Ec等参数。
实验原理
一、铁电体的特点

某些晶体在一定温度范围内具有自发极化,且自发极化的方向随外电场方向的反向而反向。晶体的这种性质称为铁电性,具有铁电性的晶体成为铁电体,铁电体的重要特性之一是具有电滞回线。电滞回线的存在是判定晶体为铁电体的重要依据,并且通过电滞回线的测量,可以测定铁电体的剩余极化强度Pr,自发极化强度Ps,以及矫顽场Ec等参数。
电滞回线表明铁电体的极化强度P与外加电场E之间呈非线性关系,并且自发极化可随外电场方向反向而反向,回线所包围的面积就是极化强度反转两次所需要的能量。
电滞回线的产生是由于铁电晶体中存在铁电畴。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。晶体由许多晶胞组成的。具有相同自发极化方向的小区域叫做铁电畴。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。当加上外电场时,沿电场方向的电畴由于新畴核的形成和畴壁的运动,畴体积迅速扩大,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。
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,参见图(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,极化将沿 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(Polarization Remanent)。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(Polarization Saturated)。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(Elctric-field Coercive)。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1 铁电体的电滞回线图2 电滞回线的显示
铁电体中除了由于自发极化转向过程所产生的极化以外,还存在着线
性感应极化;此外,铁电体的电导常常也很大。如果样品两端加上正弦交变电压:U?Umsin?
t,则样品两端的电荷将由以下三个部分组成:(1)自发极化转向过程所提供的电荷。(2)感应极化过程所提供的电荷。(3)漏电导等损耗所提供的电荷。
研究电滞回线的目的,主要在于考察与自发极化转向过程有关的各种现象。
实验上所得到的回线形状与下列几个因素有关:如样品的尺寸、温度、湿度,晶体的质地,样品原先的热和电
的经历