铁电性能综合测试
铁电薄膜的铁电性能测量
引言
铁电体是这样一类晶体:在一定温度范围内存在自发极化,自发极化具有两个或多个可能的取向,其取向可能随电场而转向.铁电体并不含“铁”,只是它与铁磁体具有磁滞回线相类似，具有电滞回线，因而称为铁电体。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（Curit-Weiss）定律。铁电相与顺电相之间的转变通常称为铁电相变，该温度称为居里温度或居里点Tc。铁电体即使在没有外界电场作用下，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这一类材料的晶体结构有关的。
晶体的对称性可以划分为32种点群。在无中心对称的21种晶体类型种除432点群外其余20种都有压电效应，而这20种压电晶体中又有10种具热释电现象。热释电晶体是具有自发极化的晶体，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，才能显示固有的极化，这可以通过测量一闭合回路中流动的电荷来观测。热释电就是指改变温度才能显示电极化的现象，铁电体又是热释电晶体中的一小类，其特点就是自发极化强度可因电场作用而反向，因而极化强度和电场E 之间形成电滞回线是铁电体的一个主要特性。
自发极化可用矢量来描述，自发极化出现在晶体中造成一个特殊的方向。晶体红，每个晶胞中原子的构型使正负电荷重心沿这个特殊方向发生位移，使电荷正负中心不重合，形成电偶极矩。整个晶体在该方向上呈现极性，一端为正，一端为负。在其正负端分别有一层正和负的束缚电荷。束缚电荷产生的电场在晶体内部与极化反向（称为退极化场），使静电能升高，在受机械约束时，伴随着自发极化的应变还将使应变能增加，所以均匀极化的状态是不稳定的，晶体将分成若干小区域，每个小区域称为电畴或畴，畴的间界叫畴壁。畴的出现使晶体的静电能和应变能降低，但畴壁的存在引入了畴壁能。总自由能取极小值的条件决定了电畴的稳定性。
参考资料
[1]钟维烈，铁电物理学，科学出版社，1996。
[2]干福熹，信息材料，天津大学出版社，2000
[3]J.F.Scoot,Ferroelectric Memories,Springer,2000。
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、了解铁薄膜材料的功能和应用前景。
实验原理
一、铁电体的特点
1．电滞回线
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(12.2-1) ,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，极化将循 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 。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 。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 。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12.2-1 铁电体的电滞回线
V
图12.2-2 电滞回线的显示
电滞回线可以用图12.22-2的装置显示出来（这就是著名的Sawyer-Tower 电路），
以电晶体作介质的电容C x 上的电压V 是加在示波器的水平电极板上，与C x 串联一个恒定电容C y (即普通电容)，C y 上的电压V y 加在示波器的垂直电极板上，很容易证明V y 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V x 与加在铁电体上外电场强成正比，因而就可直接观测到P-E 的电滞回线。 下面证明V y 和P 的正比关系，因
y x
x
y x y C C C C V V =
=ωω11
(12.2-1)
式中ω为图中电源V 的角频率
d
S
C x 0εε
=
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（12.2-1）式得： E C S d V C S V C C V y
x y x Y x y 00εεεε===
(12.2-2) 根据电磁学
E E E P χεεεεε000)1(=≈-= (12.2-3) 对于铁电体>>ε1，固有后一近似等式，代入（12.2-2）式 ， P C S
V y
y =
因S 与y C 都是常数，故Vy 与P 成正比。
2． 里点Tc
当温度高于某一临界温度Tc 时,晶体的铁电性消失。这一温度称为铁电体的居里点。由于铁电体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。 3． 里-外斯定律
由于极化的非线性，铁电体的介电常数不是常数，而是依赖于外加电场的，一般以OA 曲线（图12.2-1）在原点的斜率代表介电常数，即在测量介电常数 时，所加外电场很小，铁电体在转变温度附近时，介电常数具有很大的数值，数量级达
5410~10。当温度高于居里点时，介电常数随温度变化的关系
∞+-=
εεC
T T C
0 （12.2-5）
二、铁电体的应用
铁电体具有介电、压电、热释电、铁电性质以及与之相关的电致伸缩性质、非线性光学性质、电光性质、声光性质、光折变性质、铁电记忆存储性能等等，都与其电极化性质相关，特别是电介质的热释电与铁电性质都与其自发极化相关。由于铁电体具有上述性质，因而在诸多高技术中有着很重要的应用。利用其压电性能可制作电声换能器，用于超声波探测，声纳，稳频振谐器，声表面波器件等；利用其热释电性质可制作红外探测器，红外监视器，热成像系统等；利用非线性光学效应可制作激光倍频、三倍频、和频、差频器；利用电光性质可制作激光电光开关、光偏转器、光调制器等；利用声光效应可制作激光声光开关、声光偏转器、声光调制器等；利用光折变效应可制作光存储器件；而铁电材料的铁电性可制作铁电记忆存储器。
铁电记忆存储器（Ferroelectric Memory ）是利用铁电体所具有的电滞回线性质。如图12.2-1所示，当加到铁电体上电场为零时，铁电体上仍保持有一定的极化强度Pr(或-Pr),这个极化电荷的符号取决于该电体上原加场的符号。若原来加的正场，则当外场变为零场时，铁电体上为正的剩余极化（+Pr ）而若是从负场变到零场，则此时剩余极化为负（-Pr ）。正是利用这无外场时所有的两个稳定极化±Pr 作为计算机编码0（Pr ）和1（Pr ），这就是铁电记忆及逻辑电路的基础。 铁电记忆存储是铁电体极少数利用铁电体的铁电性能去工作，而不是其他性能（如热电、压电、电光等）的应用。在非挥发性铁电存储器应用中，即使电源突然中断，其储存的信息也可保持。铁电体不仅作为一个电容，而且其本身也作为一个存储单元。铁电存储器由于其尺寸小（是通常可擦除随机只读存储器的20%），抗辐照（特别适用于军用和航天使用），存储读取速度高，容易与硅工艺相容，因而有很好的前景。目前铁电随机存储器已有商品销售，由其为核心的智能卡及作为嵌入式芯片已用于众多家电的控制器如洗衣机、游戏机、电视频道存储记忆器、复印机、收费站刷卡等等方面，随大存储量的产品出现将在数码相机、随身听中使用，市场前景看好。
铁电材料的铁电性能最为重要的表征是其电滞回线所反映的铁电性能，包括饱和极化Ps,永久极化Pr ，矫玩场Ec 等，而对于用于铁电存储器的铁电薄膜来讲，除此之外还有漏电流k I ，铁电疲劳性能（永久极化与开关次数n ~Pr ）及铁电保持性能（永久极化与时间关系t ~Pr ）。通常要求永久极化Pr /10C μ>2
cm ，低矫玩场cm kV Ec /100<。好的疲劳特性，在铁电翻转10
10次时，永久极化很少变化。在5
10秒内可较好的保持电荷，漏电流小于27
/10cm A -。 三、铁电体的制备 （2）铁电薄膜的制备方法
]
10[
目前制备铁电薄膜的方法主要有：Sol-Gel 凝胶法、MOCVD 法、PLD 法和溅射法。在这些制备方法中，每一种都有自身的特点。
Sol-Gel凝胶法Sol-Gel凝胶法是将金属的醇盐或其他有机盐溶解于同一溶剂中，经过水解、聚合反应形成溶胶。通过甩胶在基片上形成薄膜，经过干燥和退火处理，形成铁电薄膜。此方法能够精确控制膜的化学计量比和掺杂，易于制备大面积的薄膜，适于大批量生产，设备简单，成本低，可与微电子工艺技术相兼容。但这种方法易有不足之处，如膜的致密性较差，干燥处理过程中薄膜一出现龟裂现象，薄膜结构和生长速率对基片和电极材料很敏感。迄今为止，利用该方法已制备出PT、PZT、PLZT、BT、ST、BST等多种铁电薄膜。
○2MOCVD法MOCVD法是将反应气体和气化的金属有机物前体溶液通过反应室，经过热分解沉积在加热的衬底上形成薄膜。此法的主要优点是薄膜生长速率快，可制备大面积薄膜，能精确控制薄膜的化学组分和厚度。但这种方法受制于金属有机源（MO）的合成技术，难以找到合适的金属有机源，仅能用于少数几中薄膜的制备。采用此方法已制备出PT、PZT、PLZT、BT及LN等铁电薄膜。
○3PLD法PLD法是20世纪80年代发展起来的一种新型薄膜沉积技术。它利用高功率的准分子脉冲激光照射到一定组分比的靶材上，使靶表面的数十米厚的物质转变为羽辉状等离子体，沉积到衬底上形成薄膜。这种方法的主要优点是：能源无污染；薄膜成分与靶材完全一致，因而可严格控制；衬底温度较低，可获得外延单晶膜；成膜速率快。但这种方法难以制备大面积均匀性好的薄膜。目前利用PLD方法已制备了PT、PZT、BTO、及KTN等铁电薄膜。
○4溅射法溅射法包括直流溅射、射频磁控溅射和离子束溅射。溅射法的主要优
点是工艺比较成熟，沉积温度较低，可获得外延膜。但这种沉积膜速率较慢，组分
和结构的均匀性比较难于控制。
四、实验仪器
五、测量仪简介
1、铁电性能综合测试仪硬件结构
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12-2-3，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。
计算机部分
A/D,D/A卡
图12-2-3 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[2][3]，如图12-2-4所示，其中虚框部分为铁电薄膜样品的等效电路，Cxi 为线性感应等效电容， Rx 为铁电薄膜样品的漏电导及损耗等效电阻，Cxs 为与自发极化反转对应的非线性等效电容。
在理想情况下，若只考虑Cxs 的作用（认为Cxi 与Rx 开路），很容易证明Uy 与铁电薄膜样品的极化强度P 成正比[2]。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偿，但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 Co 的选取和精度会影响测试的精确度，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12-2-4 Sawyer-Tower 电路（虚框中为铁电薄膜样品等效电路）
图12-2-5 电滞回线测量电路（虚框中为铁电薄膜样品等效电路）
我们选用如图12-2-5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Uy 进入测量系统。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，因此此测试电路可称为虚地模式。此电路取消了外接电容Co，可减小寄生元件的影响。此电路的测试精度仅取决于积分器积分电容C1的精度，减少了对测试的影响环节，比较容易定标和校准，并且能实现较高的测量准确度。
实验内容
1）测量铁电薄膜样品的电滞回线，画出电滞回线及得到铁电薄膜材料的饱和极化±Ps、剩余极化±Pr、矫顽场±Ec、电容量C等参数。
2）铁电疲劳性能测量。
铁电疲劳性能是铁电薄膜材料的永久极化与开关次数关系Pr~n。测试过程中随着开关次数增加Pr逐渐减小，当Pr小到一定值时±Pr将不能分开，既1、0不能分开，此时既失去记忆性能，称为疲劳，它是与铁电存储器密切相关的一个参数。
3）铁电保持性能测试。
铁电保持性能是铁电薄膜材料的永久极化与时间关系Pr~t，它是铁电存储器使用可靠性的一个参数。
图12-2-6 各脉冲极化和电滞回线的对应关系
注意事项
1）必须先连接好测试线路并确认无误（注意千万不要将信号源短路）后再打开测试仪电源。
2）当使用高电压信号源时，注意安全，测试操作时不能接触测试架。测试完成后先关闭测试仪电源。
预习思考题
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）用Sawyer-Tower电路测量电滞回线有何缺点？试改进之。
实验问答题
1）信号源的频率对测试结果有无影响？
2）为什么测量电滞回线时在样品上施加的电场波形为两个连续的三角波？
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）试设计一种测量铁电薄膜样品漏电流的方法。
（朱劲松）
铁电性能综合测试仪操作说明
一、系统简介
本测试系统用于铁电体的铁电性能测量，可用于铁电体的科学研究及近代物理实验中的固体物理实验以及工业化生产铁电存储器的铁电性能检测中。本测试系统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。本测试系统采用虚地模式测量电路，与传统的Sawyer-Tower模式相比，此电路取消了外接电容，可减小寄生元件的影响。此电路的测试精度仅取决于积分器积分电容的精度，减少了对测试的影响环节，比较容易定标和校准，并且能实现较高的测量准确度。它不仅能画出铁电薄膜的电滞回线，还可以定量得到铁电薄膜材料的饱和极化Ps、剩余极化Pr、矫顽场Ec、漏电流Ik等参数，以及对铁电薄膜材料的铁电疲劳性能、铁电保持性能的测试。能够较全面准确地测量铁电薄膜的铁电性能。仪器采用一体化设计，实现测试结果全数字化，操作简单方便。
二、系统安装
1、测试仪面板介绍
图1：测试仪前面板
图2：测试仪后面板
三、软件操作说明
1、主菜单介绍
1）文件
1’打开电滞回线文件
2’打开疲劳测试文件
3’打开保持测试文件
4’打印机设置
5’打印
6’退出
2）测量
1’电滞回线测量
2’疲劳测试
3’保持测试
3）矫准
1’电容容量矫正
2’电阻阻值矫正
4）帮助
1’关于TD-88A型FETESTER
2’南京大学应用物理研究所
2、测试步骤
1）电滞回线测量
1’运行应用软件，进入软件主界面，打开主菜单的测量部分选择“电滞回线测量”选项，输入“样品名称”、“样品面积”、“样品厚度”、“输出电压幅度”、“测试周期点数”、“电滞回线周期”等参数。
2’按“确定”键后，软件弹出对话框“请输入需保存的实验数据的文件名”，用户输入以***.loop的文件名后按“OK”键继续，回到软件主界面，按“开始测量”按键，系统自动进行电滞回线测量和脉冲参数测量（测量时请注意主界面下侧提示条的信息），以上两项参数测量完成后系统弹出信息框“是否进行漏电流测量”，按“Yes”则进行漏电流及电阻阻值测量,按“No”即完成测量。
2）疲劳测试
1’运行应用软件，进入软件主界面，打开主菜单的测量部分选择“电滞回线测量”选项，输入“样品名称”、“样品面积”、“样品厚度”、“输出电压幅度”、“测试周期”、“脉冲测试宽
度”、“测试点数”等参数。
2’按“确定”键后，软件弹出对话框“请输入需保存的实验数据的文件名”，用户输入以***.pl的文件名后按“OK”键继续，回到软件主界面，按“开始测量”按键，系统自动进行疲劳测试（测量时请注意主界面下侧提示条的信息）。
3）保持测试
1’运行应用软件，进入软件主界面，打开主菜单的测量部分选择“电滞回线测量”选项，输入“样品名称”、“样品面积”、“样品厚度”、“测试周期数”、“保持过程中直流电平”、“读写电压幅度”、“写宽度”、“读宽度”等参数。
2’按“确定”键后，软件弹出对话框“请输入需保存的实验数据的文件名”，用户输入以***.bch的文件名后按“OK”键继续，回到软件主界面，按“开始测量”按键，系统自动进行保持测试（测量时请注意主界面下侧提示条的信息）。
3、参数矫准
1）电容容量矫正
1’将标准电容作被测样品连接到测试系统。
2’运行应用软件，进入软件主界面，打开主菜单的“矫准”菜单选择“电容容量矫正”，系统弹出对话框问“是否进行容量矫正”，按“Yes”继续，系统弹出对话框问“请输入标准电容容量”，输入标准电容容量后按“Ok”回到主界面。
3’在主界面选择测量部分“电滞回线测量”选项，输入“样品名称”、“样品面积”、“样品厚度”、“输出电压幅度”、“测试周期点数”、“电滞回线周期”等参数。
4’按“确定”键后，软件弹出对话框“请输入需保存的实验数据的文件名”，用户输入以***.loop的文件名后按“OK”键继续，回到软件主界面，按“开始测量”按键，系统自动进行电滞回线测量和脉冲参数测量（测量时请注意主界面下侧提示条的信息），以上两项参数测量完成后系统弹出信息框“是否进行漏电流测量”，按“No”即完成校准。
2)电阻阻值矫正
1’将标准电阻作被测样品连接到测试系统。
2’运行应用软件，进入软件主界面，打开主菜单的“矫准”菜单选择“电阻阻值矫正”，系统弹出对话框问“是否进行电阻矫正”，按“Yes”继续，系统弹出对话框问“请输入标准电阻阻值”，输入标准电阻阻值后按“Ok”回到主界面。
3’在主界面选择测量部分“电滞回线测量”选项，输入“样品名称”、“样品面积”、“样品厚度”、“输出电压幅度”、“测试周期点数”、“电滞回线周期”等参数。
4’按“确定”键后，软件弹出对话框“请输入需保存的实验数据的文件名”，用户输入以***.loop的文件名后按“OK”键继续，回到软件主界面，按“开始测量”按键，系统自动进行电滞回线测量和脉冲参数测量（测量时请注意主界面下侧提示条的信息），以上两项参数测量完成后系统弹出信息框“是否进行漏电流测量”，按“Yes”则进行漏电流及电阻阻值测量,完成测量即完成校准。
附录：铁电性能综合测试仪软件中设及的参数说明一、参数说明
四、疲劳测量中的参数说明
五、保持测量中的参数说明
实验29-铁电性能测量实验讲义全
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。如果在试样两端加上交变电图2 铁电测试等效电路图 O +E c -P r P E +P r -E c P S 图1 铁电体的电滞回线
铁电材料性能研究
●总的看来，与其它各类阴极相比，铁电阴极具有自身独特的技术优势： (1) 铁电阴极可在常温下实现激励且伴生有空间电荷平衡的等离子体环 境，使得电子束具有非常小的发散角度和较高的束亮度，所以铁电 阴极又常称作铁电冷阴极(ferroelectric cold cathode)； (2) 通过阴极表面覆盖金属膜形状的设计，容易产生不同的束截面形状； (3) 铁电材料不怕“中毒”，因而对真空环境要求不苛刻； (4) 铁电材料价格低廉，易于制作，结构紧凑，坚固可靠； (5) 铁电冷阴极材料是绝缘体，功函数较低，因而可在较低的萃取电场 作用下实现电子发射；(6) 铁电体的快极化反转理论上可产生5 210 A/cm 量级的最大电流密度，远远超过了热电子阴极和激光照射的光电阴极电子源。 (7) 发射电子能量高 由周期性的自发极化反转产生的铁电体电子发射可用于新型的平面显示器。电子发射出现于电极形状决定的极化区域。因此，铁电显示器可做成投射型显示器，即通过投射转换把整幅图像一次性转换成电信号，而这对于一般场电子发射显示系统是不可能的。铁电陶瓷平板显示技术与其他一些平板显示技术相比,具有许多优点。铁电陶瓷板和铁电薄膜制备工艺较为简单,成本较低,可有效降低平板显示器的制造成本。同时可以根据需要制作出各种尺寸和形状的陶瓷板或薄膜,易于制作出大尺寸的平板显示器,满足市场的需要。现代陶瓷制备技术和薄膜制备技术可以保证制造出高度均匀的铁电陶瓷板和铁电薄膜,使得其在铁电发射时能均匀地发射电子,保证显示器亮度的均匀性。用铁电陶瓷或薄膜代替场致发射显示器中的微尖端场发射阵列,可以避免因微尖端场发射阵列制备不均匀而带来的显示器亮度不均问题。 ●铁电阴极发射的机理主要有两种： 1、快速极化反转引起的电子发射 这种理论认为铁电材料具有自发极化强度 P，在平衡状态下，这种自发极化被表面电荷屏蔽。当施加外电场，机械压力，或者温度发生变化，都会导致 P 的反转，这时铁电材料表面原来的屏蔽电荷就会转变为非补偿性电荷，这种非补偿性
压电铁电材料的研究
压电铁电材料的研究 介绍了压电铁电材料，及其特点,探讨了压电铁电材料的制备方法。 标签：压电材料; 铁电材料 1 引言 压电材料最早由Jacques和Pierre Curie兄弟于1880年发现的，居里兄弟在研究热电现象和晶体对称性的时候，在α石英晶体上最先发现了压电效应。1881年，居里兄弟用实验证实了压电晶体在外加电场作用下会发生形变。绝大部分压电体来源于铁电体。一般认为，铁电性的研究始于1920年，是法国人Valasek 发现的铁电现象，他观察到罗息盐（酒石酸钾钠，NaKC4H4O64H2O）的极化可以在施加外电场的情况下反向。1935-1938年，苏联的G. Busch和P. Schemer研制出水溶性压电晶体磷酸二氢钾(KH2PO4，简称KDP)和磷酸二氢氨((NH4)H2PO4，简称ADP)，在四十年代得到了广泛应用，对压电铁电材料的发展起了很大的推动作用。目前，世界上的铁电元件的年产值己达数百亿美元。铁电材料是一个比较庞大的家族，目前应用得最好的是陶瓷系列。但是由于铅的有毒性及此类铁电材料居里温度低、耐疲劳性能差等原因，应用范围受到了限制。 开发新一代铁电材料己成为当今的热门问题。 2 压电铁电材料的特点 压电材料是实现机械能与电能相互转换的功能材料，在电、磁、声、光、热、湿、气、力等功能转换器件中发挥着重要的作用，具有广阔的应用前景。压电材料按其化学组成和形态分为压电单晶、压电陶瓷、压电聚合物及复合压电材料四 类。其中压电陶瓷系列品种众多，应用广泛。 压电效应是一种机电耦合效应，可将机械能转换为电能，这种效应称为正压电效应。反之，如果将一块压电晶体置于外电场中，由于外电场的作用，会引起晶体内部正负电荷中心的位移，这一极化位移又会导致晶体发生形变，称为逆压 电效应。这两种效应统称为压电效应，具有压电效应的材料称为压电材料。 在具有压电效应的材料中，具有自发极化，而且其自发极化强度可以因外电场反向而反向，或者在电场作用下不可反向但可以重取向的晶体称之为铁电体(ferroelectrics)。铁电体中的自发极化有两个或多个可能的取向。所有铁电体都可
铁电的测定
铁电薄膜的电滞回线测量 一、实验内容及目的 1）测量铁电薄膜样品的电滞回线及得到铁电薄膜材料的饱和极化±Ps、剩余极化±Pr、矫顽场±Ec等参数。 2）了解什么是铁电体，什么是电滞回线及其测量原理和方法。 3）了解铁薄膜材料的功能和应用前景。 二、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,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，极化将循 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。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。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。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
三、实验仪器 四、实验步骤 1、样品的安装 样品盒中，连接样品的一对电极，其中的一个电极为平台，样品置放其上，另一电极为探针，将样品压在样品台上。将铁电样品平稳放置在样品加上。 2、测量 1）安装好样品后，关闭样品盒，接通样品盒电源（样品台上的红色指示灯亮）。2）点击程序界面上的“显示”按钮，在仪器面板上，从小到大调节极化电压旋钮，同时注意观察测量得到的曲线。 3)若极化电压调到200V还没有得到电滞回线，需将电压调回最小，再点击程序界面中的“电压提升”，继续调节极化电压，得到较满意的电滞回线。 3、记录数据 得到满意的曲线后，直接点击程序界面中的“记录”按钮，记录完一个周期后自动关闭样品电源并停止测量。
铁电材料的研究热点
铁电材料的研究热点 摘要：铁电材料具有优秀的电学性能，其电子元件集成度高、能耗小、响应速度快。目前研究者将铁电材料同其它技术相结合，使新诞生的集成铁电材料性能更为优秀。本文介绍了有压电材料、储能用铁电介质材料、有机铁电薄膜材料、多铁性材料、铁电阻变材料的研究状况。关键词：铁电；压电材料；铁电储能；有机铁电薄膜材料；多铁性材料；铁电阻变 1 铁电材料的研究背景 铁电体早在20世纪40年代就引起物理学界的关注，但由于大快铁电晶体材料不易薄膜化，与半导体和金属不相兼容，使其未能在材料和信息领域扮演重要的角色，随着薄膜技术的发展，克服了制备高质量铁电薄膜的技术障碍，特别是能在不同衬底材料上沉积高质量的外延或择优取向的薄膜，使铁电薄膜技术和半导体技术的兼容成为可能。由于人工铁电材料种类的不断扩大，特别是铁电薄膜技术和微电子集成技术长足发展，也对铁电材料提出了小型化，集成化等更高要求，正是在这样的研究背景下，传统的半导体材料和陶瓷材料结合而形成新的叫交叉学科——集成铁电学（Integrated Ferroc-Icctrics）出现了，并由此使铁电材料及其热释电器件的研究开发呈现了两个特点：①是由体材料组成的器件向薄膜器件过渡；②是由分立器件向集成化器件发展。
集成铁电体是凝聚态物理和固态电子学领域的热门课题之一。铁电材料有着丰富的物理内涵，除了具备铁电性之外，还具有压电性、介电性、热释电性、光电效应、声光效应、光折变效应以及非线性光学效应等众多性能，可用于制备电容器件、压力传感器、铁电存储器、波导管、光学存储器等一系列电子元件，铁电材料因其广阔的应用前景而倍受关注。 目前的铁电器件往往仅单独用到了铁电材料中的单一性能，如压电性或者热释电性。将铁电材料中的性能综合在一起或者将铁点技术同半导体等其他技术结合在一起的集成铁电材料有着更为强大的功能。铁电材料的研究进展主要包括[1]：①提高现有材料的单一性能，儒压电材料中准同型相界以及合适的晶格取向会大幅度提高压电系数。②开发新型铁电材料，如存储能量的电介质和有机铁电材料。③将铁电性同其他性能结合，包括可以实现磁电互控的具备多种初级铁性的多铁材料，以及可以通过铁电极化调控材料内部电阻的铁电阻变材料。 2 压电材料 由于压电薄膜具有优异的压电效应和逆压电效应并且介电常数高，稳定性好，因此制备出来的微型传感器和驱动器等压电器件有众多优势：①在高频共振体系中，传统的高频静电驱动器虽然有很大的进展，但是这类器件不仅要求发达的图像成形技术以满足小尺寸要求的同时还要克服容易受到外界环境的巨大影响的弱点，而压电材料本身谐振频率就在MHz~GHz之间，并且有着很好的温度稳定性，工艺
铁电材料的特性及应用综述
铁电材料的特性及应用综述 孙敬芝 （河北联合大学材料科学与工程学院河北唐山 063009）摘要：铁电材料具有良好的铁电性、压电性、热释电以及性光学等特性以及原理，铁电材料是具有驱动和传感2 种功能的机敏材料, 可以块材、膜材(薄膜和厚膜) 和复合材料等多种形式应用, 在微电子机械和智能材料与结构系统中具有广阔的潜在应用市场。 关键词：铁电材料；铁电性；应用前景 C haracteristics and Application of Ferroelectric material Sun Jingzhi ( Materials Science and Engineering college, Hebei United University Tangshan 063009,China ) Abstract:Ferroelectric material has good iron electrical, piezoelectric , pyroelectric and nonlinear optical properties, such as a driver and sensing two function piezoelectric materials, can block material, membrane materials (film and thick film) and the compound Material of a variety of forms such as application, in microelectromechanical and intelligent materials and structures in the system with vast potential application market. Keywords: ferroelect ric materials Iron electrical development trend 0前言 晶体按几何外形的有限对称图象, 可以分为32 种点群, 其中有10 种点群: 1, 2, m , mm 2, 4,4mm , 3, 3m , 6, 6mm , 它们都有自发极化。从对称性分析它们的晶体结构都具有所谓的极轴, 即利用对称操作不能实现与晶体的其它晶向重合的轴向, 极轴二端具有不同的物理性能。从物理性质上看, 它们不但具有自发极化, 而且其电偶极矩在外电场作用下可以改变方向。在介电强度允许条件下, 能够形成电滞回线。晶体这种性能称为铁电性, 具有铁电性的材料称为铁电材料。1920 年法国人V alasek 发现了罗息盐(酒石酸钾钠 ) 的特异介电性, 导致“铁电性”概念的出现(也有人认为概念出现更早)。现在各种铁电材料十分丰富,
材料性能与测试-习题集
材料性能与测试习题 绪论 1、简答题 什么是材料的性能？包括哪些方面？ [提示] 材料的性能定量地反映了材料在给定外界条件下的行为； 第一章单向静载下力学性能 1、名词解释： 弹性变形塑性变形弹性极限弹性比功包申格效应弹性模量滞弹性内耗韧性超塑性韧窝 2、简答 1) 材料的弹性模量有那些影响因素？为什么说它是结构不敏感指标？ 2) 金属材料应变硬化的概念和实际意义。 3) 高分子材料的塑性变形机理。 4) 拉伸断裂包括几种类型？什么是拉伸断口三要素？如何具体分析实际构件的断裂[提示：参考课件的具体分析实例简单作答]？ 3、计算： 1) 已知钢的杨氏模量为210GPa，问直径2.5mm,长度120mm的线材承受450N 载荷时变形量是多少? 若采用同样长度的铝材来承受同样的载荷，并且变形量要求也相同，问铝丝直径应为多少？(E Al=70GPa) 若用W(E=388 GPa)、钢化玻璃(E=345MPa)和尼龙线(E=2.83GPa)呢？ 2) 一个拉伸试样，标距50mm，直径13mm，实验后将试样对接起来后测量标距81mm，伸长率多少？若缩颈处最小直径6.9mm, 断面收缩率是多少？ 第二章其它静载下力学性能 1、名词解释： 应力状态软性系数剪切弹性模量抗弯强度缺口敏感度硬度 2、简答 1) 简述硬度测试的类型、原理和优缺点？[至少回答三种] 2) 简述扭转实验、弯曲实验的特点？渗碳淬火钢、陶瓷玻璃试样研究其力学性能常用的方法是什么？ 3) 有下述材料需要测量硬度，试说明选用何种硬度实验方法？为什么？ a. 渗碳层的硬度分布， b. 淬火钢， c. 灰口铸铁， d. 硬质合金， e. 仪表小黄铜齿轮， f. 高速工具钢， g. 双相钢中的铁素体和马氏体， h. Ni基高温合金， i. Al 合金中的析出强化相， j. 5吨重的大型铸件， k. 野外矿物 第三章冲击韧性和低温脆性
铁电性能综合测试概要
铁电薄膜的铁电性能测量 引言 铁电体是这样一类晶体:在一定温度范围内存在自发极化,自发极化具有两个或多个可能的取向,其取向可能随电场而转向.铁电体并不含“铁”,只是它与铁磁体具有磁滞回线相类似，具有电滞回线，因而称为铁电体。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（Curit-Weiss）定律。铁电相与顺电相之间的转变通常称为铁电相变，该温度称为居里温度或居里点Tc。铁电体即使在没有外界电场作用下，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这一类材料的晶体结构有关的。 晶体的对称性可以划分为32种点群。在无中心对称的21种晶体类型种除432点群外其余20种都有压电效应，而这20种压电晶体中又有10种具热释电现象。热释电晶体是具有自发极化的晶体，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，才能显示固有的极化，这可以通过测量一闭合回路中流动的电荷来观测。热释电就是指改变温度才能显示电极化的现象，铁电体又是热释电晶体中的一小类，其特点就是自发极化强度可因电场作用而反向，因而极化强度和电场E 之间形成电滞回线是铁电体的一个主要特性。 自发极化可用矢量来描述，自发极化出现在晶体中造成一个特殊的方向。晶体红，每个晶胞中原子的构型使正负电荷重心沿这个特殊方向发生位移，使电荷正负中心不重合，形成电偶极矩。整个晶体在该方向上呈现极性，一端为正，一端为负。在其正负端分别有一层正和负的束缚电荷。束缚电荷产生的电场在晶体内部与极化反向（称为退极化场），使静电能升高，在受机械约束时，伴随着自发极化的应变还将使应变能增加，所以均匀极化的状态是不稳定的，晶体将分成若干小区域，每个小区域称为电畴或畴，畴的间界叫畴壁。畴的出现使晶体的静电能和应变能降低，但畴壁的存在引入了畴壁能。总自由能取极小值的条件决定了电畴的稳定性。 参考资料 [1]钟维烈，铁电物理学，科学出版社，1996。 [2]干福熹，信息材料，天津大学出版社，2000 [3]J.F.Scoot,Ferroelectric Memories,Springer,2000。 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、了解铁薄膜材料的功能和应用前景。 实验原理 一、铁电体的特点 1．电滞回线 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长，畴壁移动，导致极化转向，在电场很弱时，极化线
铁电薄膜铁电性能的表征
铁电薄膜铁电性能的表征 摘要:本文简述铁电体的特性及其原因，并在不同电压测量了铁电体的电滞回线，并比较了不同电压下各重要参数的变化规律，最后对实验的结果进行了讨论与分析。 关键词: 电畴,电滞回线,极化,趋势线 引言 铁电体是这样一类晶体:在一定温度范围内存在自发极化,自发极化具有两个或多个可能的取向,其取向可能随电场而转向.铁电体并不含“铁”,只是它与铁磁体具有磁滞回线相类似，具有电滞回线，因而称为铁电体。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（Curit-Weiss）定律。铁电相与顺电相之间的转变通常称为铁电相变，该温度称为居里温度或居里点Tc。铁电体即使在没有外界电场作用下，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这一类材料的晶体结构有关的。 晶体的对称性可以划分为32种点群。在无中心对称的21种晶体类型种除432点群外其余20种都有压电效应，而这20种压电晶体中又有10种具热释电现象。热释电晶体是具有自发极化的晶体，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，才能显示固有的极化，这可以通过测量一闭合回路中流动的电荷来观测。热释电就是指改变温度才能显示电极化的现象，铁电体又是热释电晶体中的一小类，其特点就是自发极化强度可因电场作用而反向，因而极化强度和电场E 之间形成电滞回线是铁电体的一个主要特性。 自发极化可用矢量来描述，自发极化出现在晶体中造成一个特殊的方向。晶体红，每个晶胞中原子的构型使正负电荷重心沿这个特殊方向发生位移，使电荷正负中心不重合，形成电偶极矩。整个晶体在该方向上呈现极性，一端为正，一端为负。在其正负端分别有一层正和负的束缚电荷。束缚电荷产生的电场在晶体内部与极化反向（称为退极化场），使静电能升高，在受机械约束时，伴随着自发极化的应变还将使应变能增加，所以均匀极化的状态是不稳定的，晶体将分成若干小区域，每个小区域称为电畴或畴，畴的间界叫畴壁。畴的出现使晶体的静电能和应变能降低，但畴壁的存在引入了畴壁能。总自由能取极小值的条件决定了电畴的稳定性。 一、实验目的： 1、了解铁电参数测试仪的工作原理和使用方法 2、了解什么是铁电体，什么是电滞回线及其测量原理和方法。 3、了解非挥发铁电随机读取存储器的工作原理及性能表征。 二、实验原理： 1、铁电体的特点 （1）电滞回线 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
实验一 材料的铁电性能测量
实验一陶瓷的铁电性能测试 1．原理 铁电体是在一定温度范围内含有能自发极化、并且自发极化方向可随外电场可逆转动的晶体。在铁电态下，晶体的极化与电场的关系有图1的形状，称为电滞回线。构成电滞回线的几个重要参数饱和极化强度（自发极化强度）P s、剩余极化强度P r、矫顽电场E c，是衡量铁电体铁电性能的重要参数。 2．实验仪器设备 本实验采用美国Radiant公司生产的铁电测试系统，该系统由精密工作站、高压工作界面（HVI）、10kV高压放大器（HV A）三部分组成。 3．测量步骤 1) 接通测试系统的电源，打开精密工作站的电源开关，起动精密工作站。 2) 按下Ctrl＋Alt＋Del，并输入密码，登录到WindowsNT，系统会自动打开VisionPro 窗口（见图１）。 3）把实验样品夹在样品夹上，并确保样品与样品夹接触良好。 4) 用鼠标选择“QuikLook”菜单下的“Hysteresis”命令，打开一个标题为Hysteresis QuikLook的对话框。（见图2） 5) 在“Hysteresis Task Name”中，写入测量任务的名字。 6) 在对话框的右上边的“V oltage Range”选择中，选择“External Amplifier”中的±10000V olts的选项。
图 1 图 2
7) 在“VMax”中，写入需要对样品加载的电压值。 8) 在“Hysteresis Period”中，写入测量周期。 注：对块状陶瓷样品进行高压铁电性能测试一般需要一段较长的持续时间，所以在“Hysteresis Period”中一般选择300ms～1000ms。 9) 在“Area”中，写入样品的面积；在“Thickness”中，写入样品的厚度。 10) 在对话框的右下边，取消“Auto Amplification”的选择,在“Amp. Level”的选项中选择×0.001的放大倍数，然后在选择“Auto Amplification”。 11) 其它参数不需要修改，采取默认值。 12) 打开高压工作界面（HVI）的电源。 13) 打开高压放大器（HV A）的电源，把电源的开关拨到最上方。 14) 按下OK。 注意：当高压工作界面的“High V oltage Enabled”灯亮的时候，高压工作界面正在对样品加载高压，在“High Voltage Enabled”灯亮的过程中，一定不要靠近样品，更不能触摸样品。 15) 当“High Voltage Enabled”灯灭了以后，弹出一个窗口显示测量结果，测量结果包括电磁回线图和测量数据。 注意：一个测量结束后，要立即关掉高压工作界面的电源，当要进行下一个测量时再打开高压工作界面的电源。 4．数据处理和实验报告 对实验结果中的电磁回线和测量数据进行分析，并进行有关事项的讨论和总结，以及提出建议。
铁电陶瓷材料的研究现状和应用
铁电陶瓷材料的研究现状和应用 1、层状铁电陶瓷 （1）Bi系 目前，研究较多、并且用于制备铁电陶瓷材料的是钙钛矿结构的锆钛酸铅（简称PZT）系列。此系列的突出优点是剩余极化较大Pr（10~35 μC/cm 2）、热处理温度较低（600℃左右）。但是随着研究的深入，人们发现，在经过累计的极化反转之后PZT系列性能退化，主要表现在出现高的漏电流和较严重的疲劳问题，另外，铅的挥发对人体也有害。因此研究和开发性能优良且无铅的铁电陶瓷具有重要的现实意义。而铋系层状钙钛矿结构材料属于铁电材料类且性能较好又不含铅，因此受到人们的广泛关注。 （2）(Pb,Ba)(Zr,Ti)O3系 (Pb,Ba)(Zr,Ti)O3（简称PBZT）系陶瓷与Pb(Zr,Ti)O3(PZT)同属于ABO3型钙钛矿结构，具有较大的电致伸缩应变，在电子微位移动领域已得到广泛应用。但在使用过程中发现这类铁电陶瓷因其脆性和较低的强度影响了其产品的耐久性和使用寿命，因此改善其机械性能已引起人们的重视。 2、弛豫型铁电陶瓷 弛豫型铁电体（relaxation ferroelectrics，简称RF）是指顺电—铁电转变属于弥散相变的一类铁电材料，它同时具有铁电现象和弛豫现象。与典型铁电体相比，弛豫型铁电体的一个典型特征是复介电常数（ε*(ω) =ε'(ω) ?ε"(ω)，ω为角频率）的实部ε'(ω)随温度变化呈现相对宽且变化平缓的峰，其最大ε'(ω)值对应的温度Tm随ω的增加而向高温移动。该特征与结构玻璃（structureglass）化转变、自旋玻璃（spin glass）化转变的特征极为相似。所以，弛豫型铁电体又被称为极性玻璃（polar glass），相应的弛豫铁电相变又被称为极性玻璃化转变。迄今为止，虽然人们对弛豫铁电相变进行了大量的实验测量和理论探索，但是仍然没有被普遍接受的弛豫铁电相变模型，所以对弛豫铁电相变机制的研究一直是该领域研究的热点问题之一。另外，现有的一些弛豫铁电体具有优良的铁电、压电和热释电性能，因而具有广泛而重要的应用。 3、含铅型铁电陶瓷 铌镁酸铅Pb(Mg1.3Nb2.3)O3(简称PMN)铁电陶瓷材料以很高的介电常数、相当大的电致伸缩效应、较低的容温变化率和几乎无滞后的特点，一直受到人们的关注，在多层陶瓷电容器、新型微位移器、执行器和机敏材料器件及新型电致伸缩器件等领域有着巨大的应用前景。
铁电性质的测定
我的课题是做铁电材料，相关的电分析化学知识不太多，但是我们要用到铁电仪对材料的铁电性质做一个表征，也不知道算不算电分析的范畴，节选一些内容向田丹碧老师做一下汇报------写在前面的话 铁电体是这样一类晶体:在一定温度范围内存在自发极化,自发极化具有两个或多个可能的取向,其取向可能随电场而转向.铁电体并不含“铁”,只是它与铁磁体具有磁滞回线相类似，具有电滞回线，因而称为铁电体。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（Curit-Weiss）定律。铁电相与顺电相之间的转变通常称为铁电相变，该温度称为居里温度或居里点Tc。铁电体即使在没有外界电场作用下，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这一类材料的晶体结构有关的。 晶体的对称性可以划分为32种点群。在无中心对称的21种晶体类型种除432点群外其余20种都有压电效应，而这20种压电晶体中又有10种具热释电现象。热释电晶体是具有自发极化的晶体，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，才能显示固有的极化，这可以通过测量一闭合回路中流动的电荷来观测。热释电就是指改变温度才能显示电极化的现象，铁电体又是热释电晶体中的一小类，其特点就是自发极化强度可因电场作用而反向，因而极化强度和电场E 之间形成电滞回线是铁电体的一个主要特性。 自发极化可用矢量来描述，自发极化出现在晶体中造成一个特殊的方向。晶体红，每个晶胞中原子的构型使正负电荷重心沿这个特殊方向发生位移，使电荷正负中心不重合，形成电偶极矩。整个晶体在该方向上呈现极性，一端为正，一端为负。在其正负端分别有一层正和负的束缚电荷。束缚电荷产生的电场在晶体内部与极化反向（称为退极化场），使静电能升高，在受机械约束时，伴随着自发极化的应变还将使应变能增加，所以均匀极化的状态是不稳定的，晶体将分成若干小区域，每个小区域称为电畴或畴，畴的间界叫畴壁。畴的出现使晶体的静电能和应变能降低，但畴壁的存在引入了畴壁能。总自由能取极小值的条件决定了电畴的稳定性。 实验原理及其实验仪器 1、铁电体的特点 （1）电滞回线 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(12.2-1) ,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，极化将循 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。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。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。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。
材料性能与测试-习题集
材料性能与测试-习题集 材料性能与测试习题 绪论 1、简答题 什么是材料的性能？包括哪些方面？ [提示]材料的性能定量地反映了材料在给定外界条件下的行为； 第一章单向静载下力学性能 1、名词解释： 弹性变形塑性变形弹性极限弹性比功包申格效应弹性模量滞弹性内耗韧性超塑性韧窝 2、简答 1)材料的弹性模量有那些影响因素？为什么说它是结构不敏感指标？ 2)金属材料应变硬化的概念和实际意义。 3)高分子材料的塑性变形机理。 4)拉伸断裂包括几种类型？什么是拉伸断口三要素？如何具体分析实际构件的断裂[提示：参考课件的具体分析实例简单作答]？ 3、计算： 1)已知钢的杨氏模量为210GPa，问直径2.5mm,长度120mm的线材承受450N载荷时变形量是多少?若采用同样长度的铝材来
承受同样的载荷，并且变形量要求也相同，问铝丝直径应为多少？(E Al=70GPa)若用W(E=388GPa)、钢化玻璃(E=345MPa)和尼龙线(E=2.83GPa)呢？ 2)一个拉伸试样，标距50mm，直径13mm，实验后将试样对接起来后测量标距81mm，伸长率多少？若缩颈处最小直径6.9mm,断面收缩率是多少？ 第二章其它静载下力学性能 1、名词解释： 应力状态软性系数剪切弹性模量抗弯强度缺口敏感度硬度 2、简答 1)简述硬度测试的类型、原理和优缺点？[至少回答三种] 2)简述扭转实验、弯曲实验的特点？渗碳淬火钢、陶瓷玻璃试样研究其力学性能常用的方法是什么？ 3)有下述材料需要测量硬度，试说明选用何种硬度实验方法？为什么？ a.渗碳层的硬度分布， b.淬火钢， c.灰口铸铁， d.硬质合金， e.仪表小黄铜齿轮， f.高速工具钢， g.双相钢中的铁素体和马氏体，
铁电薄膜铁电性能的表征实验报告_南京大学
铁电薄膜铁电性能的表征 一、实验目的 1、了解什么是铁电体，什么是电滞回线及其测量原理和方法。 2、了解非挥发铁电随机读取存储器的工作原理及性能表征。 二、实验原理 1、铁电体的特点 （1）电滞回线 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，极化将循 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 。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 。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 。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 V 图2 电滞回线的显示 电滞回线可以用图2的装置显示出来（这就是著名的Sawyer-Tower 电路），以电晶体作
介质的电容Cx 上的电压V 是加在示波器的水平电极板上，与Cx 串联一个恒定电容Cy(即普通电容)，Cy 上的电压Vy 加在示波器的垂直电极板上，很容易证明Vy 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Vx 与加在铁电体上外电场强成正比，因而就可直接观测到P-E 的电滞回线。 下面证明Vy 和P 的正比关系，因 y x x y x y C C C C V V = =ωω11 式中 ω为图中电源V 的角频率 d S C x 0εε = 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（1）式得： E C S d V C S V C C V y x y x Y x y 00εεεε=== (2) 根据电磁学 E E E P χεεεεε000)1(=≈-=(3) 对于铁电体>>ε 1，固有后一近似等式，代入（2）式 ， P C S V y y = 因S 与 y C 都是常数，故Vy 与P 成正比。 （2）居里点Tc 当温度高于某一临界温度Tc 时,晶体的铁电性消失。这一温度称为铁电体的居里点。由于铁电体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。 （3）居里-外斯定律 由于极化的非线性，铁电体的介电常数不是常数，而是依赖于外加电场的，一般以OA 曲线（图1）在原点的斜率代表介电常数，即在测量介电常数 时，所加外电场很小，铁电 体在转变温度附近时，介电常数具有很大的数值，数量级达5 410~10。当温度高于居里点 时，介电常数随温度变化的关系
铁电陶瓷材料
材料工程基础课程铁电陶瓷材料 院系：材料与冶金 专业：金属材料工程 班级：10-材料-1 学号：1061107127 姓名：周联邦 日期：2012-12-3
摘要：本文论述了铁电陶瓷的性质、原理、效应。着重介绍了几种具有代表性的铁电陶瓷材料的研究现状，以及人们在研究过程中产生的新问题。这几种材料主要包括层状铁电陶瓷，弛豫型铁电陶瓷，含铅型铁电陶瓷，无铅型铁电陶瓷，以及反铁电陶瓷材料。最后，对未来的研究与应用前景进行了展望。 关键词：铁电陶瓷；铁电性；性质；效应；钙钛矿；应用；研究 铁电陶瓷是指具有铁电性的陶瓷。材料在一定温度范围内能够自发极化，且自发极化能随外电场取向的性质。 铁电陶瓷特性 铁电陶瓷，主晶相为铁电体的陶瓷材料。 它的主要特性为： (1)在一定温度范围内存在自发极化，当高于某一居里温度时，自发极化消失，铁电相变为顺电相； (2)存在电畴； (3)发生极化状态改变时，其介电常数-温度特性发生显著变化，出现峰值，并服从Curie-Weiss定律； (4)极化强度随外加电场强度而变化，形成电滞回线； (5)介电常数随外加电场呈非线性变化； (6)在电场作用下产生电致伸缩或电致应变。 (7)电性能：高的抗电压强度和介电常数。低的老化率。在一定温度范围内介电常数变化率较小。介电常数或介质的电容量随交流电场或直流电场的变化率小。铁电陶瓷原理 某些电介质可自发极化，在外电场作用下自发极化能重新取向的现象称铁电效应。具有这种性能的陶瓷称铁电陶瓷。铁电陶瓷具有电滞回线和居里温度。在居里温度点，晶体由铁电相转变为非铁电相，其电学、光学、弹性和热学等性质均出现反常现象，如介电常数出现极大值。1941年美国首先制成介电常数高达1100的钛酸钡铁电陶瓷。 主要的铁电陶瓷系统有钛酸钡-锡酸钙和钛酸钡-锆酸钡系高介电常数铁电陶瓷,钛酸钡-锡酸铋系介电常数变化率低的铁电陶瓷，钛酸钡-锆酸钙-铌锆酸铋和钛酸钡－锡酸钡系高压铁电陶瓷以及多钛酸铋及其与钛酸锶等组成的固溶体系低损耗铁电陶瓷等。铁电陶瓷的制造工艺大致相同。例如，钛酸钡系陶瓷用超纯、超细的等摩尔碳酸钡和二氧化钛原料混合均匀，在1150°C左右预烧成钛酸钡。加入少量为改善工艺和电性能所需要的附加剂，如产生阳离子缺位的三价镧、三价铋或五价铌离子附加剂，产生氧离子空位的三价铁、三价钪或三价铝离子，置换钡离子使晶格畸变的二价锶离子以及生成液相、降低烧成温度的氧化镁或二氧化锰等附加剂。经过粉磨或其他方法充分混合，用干压、辊压或挤压等方法成型，再在1350°C左右的氧化气氛中烧成。还可采用热压烧结，高温等静压烧结等方法，以提高产品的质量。 铁电陶瓷材料确定原则 铁电陶瓷配方的确定原则：先移后展，有所侧重；单独考虑，综合调整。 铁电陶瓷的三大效应 展宽效应、移动效应和重叠效应是铁电陶瓷改性的三大效应。 (1)铁电陶瓷居里峰的展宽效应 展宽效应：指铁电陶瓷的ε与温度关系中的峰值扩张得尽可能的宽旷平坦，即不仅使居里峰压低，而且要使峰的肩部上举，从而使材料既具有较小的温度系
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 。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
材料的铁电性能综述
材料的铁电性能综述 摘要： 回顾了铁电现象的发现及发展，简述了铁电性的机理，描述了铁电材料应用现状与前景，并介绍了几类前景很好的铁电材料。指出目前对于铁电性的还需要进行更多的和更深入全面的研究。 关键词：铁电性，电畴，铁电薄膜，存储器 前言： 铁电材料，是指具有铁电效应的一类材料，它是热释电材料的一个分支。铁电材料及其应用研究已成为凝聚态物理、固体电子学领域最热门的研究课题之一。铁电材料是一类重要的功能材料，是近年来高新技术研究的前沿和热点之一。 在一些电介质晶体中，晶胞的结构使正负电荷重心不重合而出现电偶极矩，产生不等于零的电极化强度，使晶体具有自发极化，晶体的这种性质叫铁电性（ferroelectricity）。 铁电性： 铁电性是某些绝缘体材料中在外加电场的作用下自发极化可以被反转的特性。多数材料的极化是与外加电场线性成正比的，非线性效应是不显著的。这种极化叫做电介质极化。有些称作顺电体的材料，线性的极化效应更加显著。于是与极化曲线斜率相对应的介电常数是以一个外加电场的函数。除了非线性效应以外，铁电材料中还存在自发极化。这种材料称作焦电材料。铁电材料与其不同之处在于它的自发极化可以在外加电场作用下被反转，产生一个电滞归线。一般来说，材料的铁电性只存在于某一相变温度以下，称为居里温度。在这个温度以上，材料变为顺电体。 铁磁体中的原子有固定的磁偶极矩，这些磁矩自发排列起来。自发排列的原因是固体中电子的量子力学效应。铁磁体的居里温度指向顺磁体转变的温度，同理对铁电体，指材料不再是铁电体的温度。对于一块未极化铁电晶体，电畴随机
排列，净极化强度为零。当外加一个电场时，电畴同时向电场方向转动，当电场足够强时，全部电畴沿电场方向排列一致，这时晶体变成一个大电畴，处于极化饱和状态。当扭转电场时，极化反转但不回零，晶体获得一个剩余极化强度PR，当电场被扭转到矫顽场Ec时，剩余极化强度被去除。铁电相是一个相当严格的状态，大多数材料都是顺电状态，顺电相指即使没有固有电偶极子，电场也可诱发极化。而铁电体是有极性的，他们因为晶胞的原子排列而拥有一个固有电偶极矩。晶体有32个群，其中，21种是非中心对称的。在他们之中，20中是压电体，即压力诱发极化。而在这20种之中只有10种在无压力下是有极性的，即热释电体，温度变化导致热膨胀，热膨胀导致极化强度变化。最后，在这当中，当极化强度还可以被电场重新定向时，晶体才是铁电体。 铁电相转变是一种结构变化，它反映出晶体保持自发极化的能力，并由晶体惯用元胞中的离子相对位移引起。铁电相变发生在温度ＴＣ，这与铁磁体的居里温度相似。在具体点以上，晶体通常是中心对称的顺电相，居里点以下就不是顺电系相了，而表现出铁电行为。在铁电相，晶体中至少有一组离子处在双势阱中，两个位置能量相等。在ＴＣ以上，粒子在双势阱中有足够的动能前后振动并越过分隔势阱的势垒，所以原子时间上的平均位置在势阱的中间。 电畴和铁电极化，铁电行为是由在铁电相时至少有一组离子拥有双势阱引起的。在一个局部区域内，所有离子均位于势阱的同一侧，这个局部区域叫作电畴。如果铁电相变在一个理想晶体中随着温度的一个极小下降而发生（保证整个晶体的热力学平衡）晶体被单畴化。晶体中所有离子热力学耦合并处于双势阱的同一侧，位于任一侧的几率相等。在真实的情况中，晶体中足够远的不同区域独立地形成电畴，而且反向不同。 在公式 公式涉及电位移矢量，电场强度和极化强度，其中既包括外场引起极化，还包括固有极化。 自由电荷满足泊松方程，，所以 在一个理想的铁电晶体中，，这和普通电介质一样。对于一个真实的晶体，在晶体表面为0，和大块晶体在缺陷处测得的值不同。