實驗29 鐵電性能測量實驗講義

《實驗29 鐵電性能測量實驗講義》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《實驗29 鐵電性能測量實驗講義（6頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、鐵電體電滯回線的測量 圖1 鐵電體的電滯回線 鐵電材料是一類具有自發(fā)極化，而且其自發(fā)極化矢量在外電場作用下可以翻轉(zhuǎn)的電介質(zhì)材料，它具有優(yōu)異的鐵電、壓電、介電、熱釋電及電光性能，在非揮發(fā)性鐵電存儲器、壓電驅(qū)動器、電容器、紅外探測器和電光調(diào)制器等領(lǐng)域有重要的應用。鐵電材料的主要特征是具有鐵電性，即極化強度與外電場之間具有電滯回線的關(guān)系，如圖1所示。電滯回線是鐵電體的重要特征和重要判據(jù)之一，通過電滯回線的測量可以得到自發(fā)極化強度Ps、剩余極化強度Pr、矯頑場Ec等重要鐵電參數(shù)，理解鐵電疇極化翻轉(zhuǎn)的動力學過程。 【實驗目的】 1. 了解鐵電測試儀的工作原理和使用方

2、法。 2. 掌握電滯回線的測量及分析方法。 3. 理解鐵電材料物理特性及其產(chǎn)生機理。 【實驗儀器】 本實驗采用美國Radiant Technology公司生產(chǎn)的RT Premier Ⅱ型標準鐵電測試儀，該儀器可以測量鐵電材料的電滯回線、漏電流、疲勞、印痕、PUND (Positive Up Negative Down)等性能，而且配備了變溫系統(tǒng)和熱釋電軟件還可以測量熱釋電性能。 【實驗原理】 圖2 鐵電測試等效電路圖 鐵電體的自發(fā)極化強度并非整個晶體為同一方向，而是包括各個不同方向的自發(fā)極化區(qū)域，其中具有相同自發(fā)極化方向的小區(qū)域叫做鐵電疇。電滯回線的產(chǎn)生是由于鐵電晶體中存在鐵電疇

3、。鐵電體未加電場時，由于自發(fā)極化取向的任意性和熱運動的影響，宏觀上不呈現(xiàn)極化現(xiàn)象。當加上外電場大于鐵電體的矯頑場時，沿電場方向的電疇由于新疇核的形成和疇壁的運動，體積迅速擴大，而逆電場方向的電疇體積則減小或消失，即逆電場方向的電疇轉(zhuǎn)化為順電場方向，因此表面電荷Q (極化強度P)和外電壓V (電場強度E)之間構(gòu)成電滯回線的關(guān)系。另外由于鐵電體本身是一種電介質(zhì)材料，兩面涂上電極構(gòu)成電容器之后還存在著電容效應和電阻效應，因此一個鐵電試樣的等效電路如圖2所示。其中CF對應于電疇反轉(zhuǎn)的等效電容，CD對應于線性感應極化的等效電容，RC對應于試樣的漏電流和感應極化損耗相對應的等效電阻。如果在試樣兩端加上交變

4、電壓，則試樣兩端的電荷Q將由三部分組成： (1) 鐵電效應：鐵電體(Ferroelectric)的電疇翻轉(zhuǎn)過程所提供的電荷QF，當EEc時，鐵電疇迅速翻轉(zhuǎn)，電荷QF突變。當鐵電疇全部反轉(zhuǎn)之后，繼續(xù)增大電場強度，電荷QF保持不變，所以理想鐵電材料的電滯回線為一矩形，如圖3 (a)所示。 圖3 電荷QF、QD、QC與電壓V的關(guān)系 (2) 電容效應：鐵電體屬于電介質(zhì)(Dielectric)材料，上下表面涂上電極之后，相當于一電容器，在外電場作用下會發(fā)生感應極化，產(chǎn)生電荷QD。感應極化所提供的電荷QD和電壓V成正比，是一條過原點的直

5、線，如圖3 (b)所示。 (3) 電阻效應：即電導(Conductive)和感應極化損耗所提供的電荷QC，QC是材料中電流與時間的積分，其中電流與電壓V成正比。積分得到的電荷QC與電壓V的關(guān)系為一橢圓，如圖3 (c)所示。 因此試樣兩端的全電荷Q是由QF、QD、QC三部分疊加而成的，即Q和電壓V的關(guān)系是圖3 (a)、3 (b)、3 (c)三部分的疊加，所以實際測量得到電滯回線如圖1所示。 由上述可見，只有電荷QF與電壓V的關(guān)系才真正反映了鐵電體中的電疇翻轉(zhuǎn)過程。實際測量得到的全電滯回線（圖1）包含了與鐵電疇極化翻轉(zhuǎn)過程無關(guān)的QD和QC的影響。由圖3可知，電容效應QD使得QF的飽和支、上升

6、支和下降支發(fā)生傾斜，但是從理論上來說對于QF和Vc的數(shù)值沒有影響。而電阻效應提供的電荷QC則不同，QC使QF的飽和支畸變成一個環(huán)狀端。對QF和Vc的數(shù)值都有影響，使測得的數(shù)值偏高，造成誤差。當電容效應和電阻效應很大時，Q和V的關(guān)系將與QF和V的關(guān)系相差很大，以致掩蓋了電疇翻轉(zhuǎn)過程的特征，形成一個損耗橢圓，以致一些研究者把一部分并無電疇過程的電介質(zhì)也認為是鐵電體。所以正確的獲得電滯回線和鐵電參數(shù)是準確表征鐵電性能的前提。 測量電滯回線的方法很多，其中應用最廣泛的是Sawyer–Tower方法，它是一種建立較早，已被大家廣泛接受的非線性器件的測量方法，目前仍然是大家用來判斷測試結(jié)果是否可靠的一個

7、對比標準。圖4是改進的Sawyer–Tower方法的測試原理示意圖，它將待測器件與一個標準感應電容串C0聯(lián)，測量待測樣品上的電壓降（V2-V1）。其中標準電容C0的電容量遠大于試樣Cx，因此加到示波器x偏向屏上的電壓和加在試樣Cx上的電壓非常接近；而加到示波管y偏向屏上的電壓則與試樣Cx兩端的電荷成正比。因此可以得到鐵電樣品表面電荷隨電壓的變化關(guān)系，分別除以電極面積和樣品厚度即可得到極化強度P與電場強度E之間的關(guān)系曲線。 圖4 Sawyer–Tower電路 本實驗中的鐵電性能測試采用美國Radiant Technology公司生產(chǎn)的RT Premier Ⅱ型標準鐵電測試儀。該儀器采用

8、 Radiant Technologies公司開發(fā)的虛地模式，如圖5所示。待測的樣品一個電極接儀器的驅(qū)動電壓端(Drive)，另一個電極接儀器的數(shù)據(jù)采集端(Return)。Return端與集成運算放大器的一個輸入端相連，集成運算放大器的另一個輸入端接地。集成運算放大器的特點是輸入端的電流幾乎為0，并且兩個輸入端的電位差幾乎為0，因此，相當于Return端接地，稱為虛地。樣品極化的改變造成電極上電荷的變化，形成電流。流過待測樣品的電流不能進入集成運算放大器，而是全部流過橫跨集成運算放大器輸入輸出兩端的放大電阻。電流經(jīng)過放大、積分就還原成樣品表面的電荷，而單位面積上的電荷即是極化。這一虛地模式可以

9、消除Sawyer–Tower方法中感應電容產(chǎn)生的逆電壓和測試電路中的寄生電容對測試信號的影響。 Integrator Voltage Measurement Return Transimpedance Amplilier Gain Stage Device under test Parasitic capacitance Drive 圖5 Premier Ⅱ鐵電測試儀虛地模式電路示意圖 電滯回線（Hysteresis loop）的測量 圖6是測量電滯回線所用的三角波測試脈沖。第一個負脈沖為預極化脈沖，它只是將待測樣品極化到負剩余極化(-Pr)的狀態(tài)，并不記錄數(shù)據(jù)

10、。間隔1s后，施加一個三角波來測試記錄數(shù)據(jù)，整個三角波實際是由一系列的小電壓臺階構(gòu)成的，每隔一定時間（Voltage step delay），測試電壓上升一定值（Voltage step size），然后測試一次，并通過積分樣品上感應的電流可以算出電極表面的電荷，除以電極面積即可得到此電壓下的剩余極化強度值。 圖6 電滯回線測試脈沖 【實驗內(nèi)容及步驟】 主要通過操作鐵電測試儀控制軟件Vision，測量鐵電材料的電滯回線并從回線上得出剩余極化強度Pr，自發(fā)極化強度Ps，以及矯頑場Ec。調(diào)整測試電壓強度和頻率，得到不同電壓強度，不同頻率下的電滯回線，研究剩余極化強度Pr，和矯頑場Ec隨

11、電壓強度和頻率的變化關(guān)系。 1、啟動鐵電測試儀，運行鐵電測試軟件Vision。 2、將信號輸入端（Drive）和接收端（return）通過導線連接到待測鐵電材料的上下電極。 3、運行電滯回線測量程序，設定測試電壓強度和頻率等參數(shù)進行測試。如圖7所示。 圖7 電滯回線測量設置界面 4、執(zhí)行程序得到電滯回線，如圖8所示，可以得到該測試條件下的自發(fā)極化強度P、剩余極化強度Pr和矯頑場Ec，導出數(shù)據(jù)，。 圖8 電滯回線測試結(jié)果 5、分別改變測試的電場強度和頻率測量一系列電滯回線。 【數(shù)據(jù)處理】 將測試數(shù)據(jù)導出為text格式文件，用Origin或其他作圖軟件打開，并畫出電滯回線

12、圖。 測量不同條件下的剩余極化強度Pr和矯頑場Ec，填入下表。分別以電場強度E和電場頻率f為橫坐標，以Pr和Ec為縱坐標畫圖，觀察Pr和Ec隨E和f的變化規(guī)律。 表1 不同電場強度下的Pr和Ec值 電場強度( E ) 剩余極化強度( Pr ) 矯頑場強度( Ec ) 表2 不同電場頻率下的Pr和Ec值 電場頻率( f ) 剩余極化強度( Pr ) 矯頑場強度( Ec ) 【注意事項】 根據(jù)所測材料的不同選擇

13、不同的電壓，薄膜一般比較薄（約幾百nm），所需電壓較低（約幾十伏），一般選內(nèi)置低壓電源（Internal Voltage Source），測量范圍為0-100 V。陶瓷一般選用經(jīng)過放大器輸出的外部高電壓（External High Voltage ），測量范圍為0-9999 V。 高壓測試時務必小心，用耐高壓硅油掩蓋待測樣品，高壓輸出燈亮時，切勿碰觸樣品、探針和機箱，以免觸電。高壓測試時請將低壓測試線從主機面板插孔拔出。測試時先從低壓測起，逐步提高電壓，以防樣品被擊穿。 【思考問題】 1．如何從電滯回線得出剩余極化強度、飽和極化強度和矯頑場的大?。? 2．電滯回線的形狀與哪些因數(shù)相關(guān)，如何判斷其鐵電性能的好壞？ 3. 電滯回線的面積具有什么物理意義？ 4. 如何建立鐵電材料性能和應用之間的聯(lián)系？