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1、第五章鐵電壓電材料參數(shù)的測量§5-1鐵電材料參數(shù)的測量鐵電性：在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化，而且其自發(fā)極化方向可以因外電場變化而轉(zhuǎn)向，這種特性稱為鐵電性。鐵電體：具有鐵電性的晶體材料。鐵電電疇結(jié)構(gòu)示意圖Ba0.6Sr0.4TiO3薄膜的壓電像:(a)形貌像；(b)面內(nèi)極化；(c)面外極化鐵電陶瓷的SEM鐵電體的電滯回線電滯回線是鐵電體的重要特征和重要判據(jù)之一。Ec隨著新型鐵電材料的不斷涌現(xiàn)，正確地獲得材料的電滯回線和鐵電參數(shù)是人們愈來愈關(guān)心的問題之一。自發(fā)極化強度Ps剩余極化強度Pr矯頑場強EC相對介電系數(shù)εr損耗角正切tgδ5-1-1電滯回線的特征和構(gòu)成鐵電體中，除電疇反
2、轉(zhuǎn)過程所導(dǎo)致的極化以外，還存在著感應(yīng)極化、鐵電體的損耗極化。鐵電試樣的等值電路如圖5-3所示。RxCxiCxsU圖5-1鐵電試樣的等效電路Cxs：與電疇反轉(zhuǎn)過程相對應(yīng)的等值電容；Cxi：與線性感應(yīng)極化相對應(yīng)的等值電容；Rx：與試樣的漏電導(dǎo)和感應(yīng)極化損耗相對應(yīng)的等值電阻如果在試樣兩端加上正弦交變電壓則在試樣兩端的電荷Q將由三部分組成：Qs:電疇反轉(zhuǎn)過程所提供的電荷Qi:感應(yīng)極化過程所提供的電荷Qr:電導(dǎo)和感應(yīng)極化損耗所失去的電荷(5-1-1)RxCxiCxsU圖5-1鐵電試樣的等效電路(1)Qs：當(dāng)電疇的反轉(zhuǎn)速度比電場的變化快時，電疇反轉(zhuǎn)過程所提供的電荷Qs為一畸變了的矩形波
3、(5-1-2)式中為電疇反轉(zhuǎn)的滯后角，即電疇反轉(zhuǎn)過程所造成的損耗角；a、b、c等為相應(yīng)諧波的振幅修正系數(shù)；α、β、γ等為相應(yīng)諧波的相位修正系數(shù)。圖5-2Qs和Q的波形Qs的波形如圖5-2a所示。當(dāng)a＝b＝c=……=1，α＝β＝γ＝……=1時，Qs為一理想的矩形波。這相當(dāng)于單疇的情況。這時電荷Qs與電壓U的關(guān)系如圖5-3a所示。這是一個理想的電滯回線。圖5-3電荷Qs、Qi和Qr與電壓的關(guān)系QsQsUUcQiUQrU(a)(b)(c)(2)Qi：感應(yīng)極化所提供的電荷Qi與電容Cxi和電壓U成正比：Qi為一正弦波。Qi與U的關(guān)系如圖5-3b所示，關(guān)系曲線為一通過原點的直線。(3
4、)Qr:電導(dǎo)和感應(yīng)極化損耗所失去的電荷。Qr為一余弦波。Qr與U的關(guān)系如圖5-3c所示，關(guān)系曲線為一橢圓。(5-1-3)(5-1-4)因此，試樣兩端的全電荷：如令(5-1-5)則(5-1-6)圖5-4全電滯回線QUQsUc式中，為電導(dǎo)和感應(yīng)極化損耗所形成的損耗角。全電荷Q由Qs、Qi、Qr三部分疊加而成的。Q和電壓U的關(guān)系曲線即把圖5-3a、b、c所示的這三部分疊加起來，得到如圖5-4所示的全電滯回線。目的：研究與電疇反轉(zhuǎn)過程有關(guān)的各種現(xiàn)象，即與Ps有關(guān)的參數(shù)Qs和與EC有關(guān)的參數(shù)UC。只有電荷Qs與電壓U的關(guān)系才真正反映電疇的反轉(zhuǎn)過程。試樣的全電滯回線包含了Qi和Qr的影
5、響。Qi使得Qs的飽和支、上升支和下降支發(fā)生傾斜。而Qr使Qs的飽和支畸變成一個環(huán)狀端，使測試值偏高。當(dāng)Qi和Qr很大時，Q和U的關(guān)系將與Qs和U的關(guān)系相差很大，以致淹沒了電疇反轉(zhuǎn)過程的特征，形成一個損耗橢圓。5-1-2電滯回線的測定示波器法(Sawyer—Tower電路法)，即用示波器直接觀察電滯回線，其測量線路原理如圖5-5所示。示波器垂直偏向板上的電壓與鐵電體樣品上的電荷Q(或極化強度P)成正比；示波器水平偏向板上的電壓與加在樣品上的電壓(或電場強度E)成正比。如果電容C0選擇合適，那么電壓每變化一個周期，可在示波器熒光屏上顯示出電滯回線圖形來。圖5-5簡單的Sawy
6、er-Tower電路WCxC0示波器的X方向:外加電壓示波器的Y方向:C0上的電壓Cx:鐵電電容C0:標準電容C0>>Cx為了正確測定鐵電體的特征參數(shù)Qs(或Ps)及UC(或EC)，必須把全電荷Q中的電荷Qi、Qr抵消掉，再測出Qs與電壓U的關(guān)系。消除Qr和Qi的方法很多，下面介紹兩種適合于高低損耗測量要求的方法。一、電阻補償法在標準電容器C0的兩端并聯(lián)一個電阻R0，如圖5-6所示。電路要求:C0>>Cx由于C0>>Cx，外加電壓幾乎全加在試樣上，而電容C0兩端的電壓加在示波器Y軸上，即Y軸上電壓與標準電容C0兩端的電荷成正比。由于串聯(lián)電容極板上的電荷相等，因此加到Y(jié)軸上的
7、電壓必然與試樣Cx兩端的電荷成正比。圖5-6電阻補償?shù)腟awyer-Tower電路C0:標準電容器Cx:鐵電試樣的電容C0>>CxUR0R0C0CxiCxsRxR1R2WUCx并聯(lián)電阻R0后，按電流連續(xù)原理應(yīng)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)，當(dāng)電路達到穩(wěn)態(tài)，這時電壓式中(5-1-9)比較Q和UR0的表示式(5-1-6)和式(5-1-9)可見，相移、、等的存在，使Q和UR0不能成正比，電壓UR0不能正確地反映全電荷Q的變化規(guī)律。如果使相角,即:(5-1-10)或(
