铁电的测定
铁电材料参数的测量解读
P
V
i
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
极化强度P，是介质小体积元ΔV 内 沿电场方向感应偶极矩的平均值。所 以P是一个宏观物理量，它的大小与 外加电场有关。
P 0 ( r 1)E
对各向同性电介质，各点极化强度 P与宏观电场强度E成正比。
铁电体
一般电介质 在外加电场下产生极化，去掉电场极化 就消失的电介质。
电滞回线
通常，铁电体自发极化的方向不相同，但在 一个小区域内，各晶胞的自发极化方向相同， 这个小区域就称为铁电畴。两畴之间的界壁 称为畴壁。
铁电畴在外电场作用
铁电畴 下运动的宏观描述 电滞回线
90o畴壁
180o畴壁
当E值降为零时，P值并不 下降为零(D点)。大部分电 畴仍停留在极化方向，因 而宏观上还有剩余极化强 度。称Pr为剩余极化强度。 要把剩余极化去掉，必须 再加反向电场，以达到晶 体中沿电场方向和逆电场 方向的电畴偶极矩相等， 极化相消。使极化强度重 新为零的电场Ec（F点） 称为矫顽电场。 反向电场继续增 加，则所有电畴 偶极矩将沿反向 定向，达到饱和 （图中G点） 反向电场继续增加，曲线 G至H段与B至C段相似。
在外电场作用下，围绕原子核的电子云相 对原子核发生弹性位移而形成偶极矩。
极性电介质
加上外电场时，1）分子正负电荷中心的相 对弹性位移；2）每个分子受到电场力矩的 作用，趋于转向外电场方向。
电介质的极化
(a)真空平板电容器 (b)平板电容器中的束缚电荷 图 平板电容器中介电材料的极化
极化强度
电介质的极化强度定义为单位体积电介质内 沿电场方向的电偶极矩的总合，即所谓极化 强度矢量P来表示。 ∑μi，小体积元ΔV 内沿电场 方向感应偶极矩之和。
铁电材料电滞回线测量
六、实验数据结果及分析：
1. 用优盘拷出保存数据（默认扩展名为
“XYD”），在Origin下画出电滞回线。也 可在实验内容第二步直接保存为图片。 2. 对上述结果进行讨论。
铁电材料电滞回线测量
Hale Waihona Puke 一、实验目的： 1. 熟悉铁电材料电滞回线的准静态测试的原理；
2. 掌握用 TF － DH1 铁电体电滞回线测量仪测量铁电材 料电滞回线的方法。
二、实验器材： TF_DH1铁电体电滞回线测量仪，样品盒。
三、实验原理： 采用示波器图示法，又称为Sawyer-Tower回路法， 电路图下所示。交变电场由超低频高压源提供，电滞回 线用X-Y函数记录仪记录，并由测得的电滞回线计算矫 顽电场强度EC、剩余极化强度Pr和自发极化强度Ps。
电滞回线Sawyer-Tower回路测试图
四、实验内容： 调节极化电压，观察不同极化电压下的电滞回线。
根据电滞回线和仪器自带软件计算样品的自发极化
强度Ps、剩余极化强度Pr、矫顽电场EC等参数。
五、实验步骤：
1. 打开TF_DH1铁电体电滞回线测量仪电源开关，安装样品与样品盒； 2. 打开电脑，启动铁电体电滞回线测量仪程序； 3. 测试：新建、坐标选择四象限、显示，从小到大逐步调节极化电压， 同时观察测量得到的曲线，直到满意。 4. 记录数据：点新建 显示 记录 暂停 保存。 5. 数据处理：移动鼠标至“电滞回线”上“自发极化强度Ps”、“剩余极 化强度Pr”、“矫顽电场EC”等对应的位置，点击右键，选取发送对应 数据至数据处理窗口，输入样品的面积、厚度（标准电容为11F）,软 件可以计算出样品的自发极化强度Ps、剩余极化强度Pr、矫顽电场EC 等参数。 6. 标准电容为11F，样品面积1cm2，样品厚度0.02cm。 7. 记录以下数据：
实验一 材料的铁电性能测量
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入测量任务的名字。
6) 在对话框的右上边的“Voltage Range”选择中，选择“External Amplifier”中的±10000Volts的选项。
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（HVA）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）。
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）Ps、剩余极化强度Pr、矫顽电场Ec，是衡量铁电体铁电性能的重要参数。
物理实验技术中的铁电材料测量与实验方法
物理实验技术中的铁电材料测量与实验方法引言：铁电材料作为一种特殊的功能材料，在电器和电子工业中有着广泛的应用。
为了研究和探索铁电材料的特性，科学家们开展了一系列的物理实验，并借助先进的测量和实验方法来获得准确和可靠的数据。
本文将介绍物理实验技术中常用的铁电材料测量与实验方法，并探讨它们的原理和应用。
一、铁电材料的基本特性和测量铁电材料具有独特的电极化特性，能够在外界电场的作用下发生自发极化。
为了测量铁电材料的电极化行为，通常使用电压-电荷曲线来描述材料的电极化状态。
常用的测量方法包括极化曲线测量和退极化曲线测量。
极化曲线测量是在不同的偏置电压下，测量材料的产生和消除极化的电荷量。
退极化曲线测量则是通过在一个初始电场下测量极化电荷，然后通过改变电场方向来观察电荷的变化。
这些测量方法能够提供有关铁电材料的极化行为和电压响应的重要信息。
二、电容法和介电谱测量电容法是一种常见的测量铁电材料性质的方法。
它通过测量材料的电容来推断材料的电极化状态。
电容法可以分为恒压法和交流法两种。
恒压法是通过在铁电材料上施加一个固定的电压，然后测量电容的变化来推断材料的电极化行为。
交流法则是通过施加交流电压，并测量材料的电容和电导率来得到材料的介电常数和损耗因子。
这些测量方法广泛应用于铁电材料的电容性能和其频率响应的研究中。
三、X射线衍射测量与结构分析X射线衍射是一种常用的分析方法，可以用于表征铁电材料的晶体结构和晶格参数。
这种方法可以通过材料对入射X射线的散射进行测量，从而确定材料的晶体结构和晶格常数。
X射线衍射方法常用的设备包括X射线衍射仪和衍射图谱仪。
X射线衍射仪通过测量材料对入射X射线的散射角度和强度来获得样品的衍射图谱。
衍射图谱仪则用于解析和分析衍射图谱，从而确定材料的晶体结构和晶格参数。
四、压电力显微术的应用压电力显微术是一种常用的表征铁电材料性质的方法，可以用于研究材料的电极化状态和压电响应。
这种方法利用原子力显微镜的力传感器，可以测量材料在外界电场或者压力作用下产生的微小位移或变形。
材料铁电性能的测量课件
铁电材料在一定温度范围内表现 出明显的铁电效应，即自发极化 随着温度的升高而降低，反之亦然。
铁电材料的特性
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电滞回线
铁电材料具有显著的电滞 回线，即其介电常数和极 化强度随外加电场的变化 而发生非线性变化。
热释电效应
当铁电材料受到温度变化 时，其自发极化强度会发 生变化，产生热释电电流。
铁电测试仪通常采用交流测量方法，通过在材料上施加一定频率和幅度的交流电信 号，测量材料的响应信号，从而计算出材料的铁电性能参数。
铁电测试仪具有高精度、高稳定性和可重复性的特点，是研究材料铁电性能的重要 工具。
示波器
示波器是一种常用的电子测量仪 器，它可以用来观察和测量各种
信号的波形和参数。
在测量材料铁电性能时，示波器 可以用来观察和记录材料的电响 应信号，帮助研究者了解材料的
压电效应
在铁电材料中，自发极化 强度随外力作用而发生改 变，从而产生压电电压。
铁电材料的应用
传感器
利用铁电材料的压电效应 和热释电效应，可以制作 出高灵敏度、高分辨率的 传感器。
存储器
铁电材料具有非易失性的 电滞回线，可以用于制作 铁电随机存储器（FRAM）。
换能器
利用铁电材料的压电效应 和热释电效应，可以制作 出高效能的换能器。
在传感器领域的应用
总结词
铁电材料在传感器领域的应用主要涉及压力传感器和振动传感器。
详细描述
由于铁电材料的压电效应，它们可以用于制造高灵敏度、低噪声和宽频带压力传 感器和振动传感器。这些传感器广泛应用于航空航天、汽车、机械和医疗等领域， 用于监测压力、振动和声学信号，并进行相应的控制和调节。
2023
总结词
实验29 铁电性能测量实验讲义
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。
材料铁电性能的测量
(3)严禁将示波器X轴接地端及Y轴接地端错接到X轴及Y轴接线 柱上。
(4)避免测试时示波器探头与机箱金属面板接触构成回路，造成 仪器损坏。
谢谢观赏
材料铁电性能的测量
<一> 实验目的
1. 了解铁电参数试仪的工作原理和使用方法； 2. 学习用铁电参数测试仪测量电滞回线
<二> 实验装置
• ZT—Ⅰ铁电材料参数测试仪 • 铁电陶瓷样品
<三> 实验原理
电滞回线是铁电性的一个最重要的标志。下图是一个铁电材 料的典型电滞回线，假定铁电体在外场为零时，晶体中的各电畴 互相补充，晶体对外的宏观极化强度为零，晶体的状态处在图上 的O点。
④ 通过取样选择旋钮6选择取样电容C0 (用于测电滞回线，例 如，取0.1)或取样电阻R0(用于测I—V 特性，用于测I—V 特 性，例如，取 0.1kΩ)。
⑤ 根据测量要求，通过波形选择旋钮9选择相应的测量波形。
⑥ 适当调节幅度调节旋钮19及频率调节旋钮18。观察示波器 上显示出的电滞回线或I—V特性。
体材料测量步骤：
① 仪器与示波器的连接见上图。注意，其中示波器X轴应 接高压探头（将信号衰减100倍），示波器Y轴选用普通 的示波器探头。
② 将幅度调节旋钮19逆时针旋到底，防止接通电源后，信 号强度过大冲击仪器。
③ 按下薄膜/陶瓷按钮16（此时，输出信号频率分段开关12 无效）。补偿按钮17一般不要按下，因为体材料的漏导 极小，不需补偿，以免发生电滞回线的过补偿。
这里Pr是对整个晶体而言的，而线性部分的延长线与极化 轴的截距Ps(相应图中OE线段)表示电畴的自发极化强度，相当 于每个电畴的固有饱和极化强度。要把剩余极化去掉，必须再 加反向电场，以达到晶体中沿电场方向和逆电场方向的电畴偶 极矩相等，极化相消，使极化强度重新为零的电场El(相应于图 中OF线段)称为矫顽电场。如果反向电场继续增加，则所有电 畴偶极矩将沿反向定向，达到饱和(相应回中G点)。反向场强 进一步增加，曲线G至H段与B至C段相似。要是电场再返回正 向，P一E曲线便按HGIC返回，完成整个电滞回线。电场每变 化一周，上述循环发生一次。描述电滞回线最重要的参数为自 发极化强度Ps和矫顽场强度Ec。不过矫顽场强与温度和频率有 关，通常温度增加，矫顽场强下降；频率增加，矫顽场强增大。
第五章铁电材料测试
第五章铁电材料测试铁电材料测试是研究铁电材料性能和特性的关键步骤。
通过测试，可以评估材料的电学特性、热学特性以及结构特性等，为进一步研究和应用铁电材料提供重要参考。
铁电材料测试主要包括电学测试、热学测试和结构测试三个方面。
首先是电学测试。
电学测试主要是对材料的电介质性能进行评估。
常用的电学测试方法包括压电系数测试、介电常数测试以及铁电相变测试等。
压电系数测试是通过施加外界电场或机械应力来测量材料的压电响应，包括压电应变和压电势的变化。
介电常数测试是通过施加外界电场来测量材料在不同频率下的电极化程度，反映了材料对电场的响应能力。
铁电相变测试是通过改变温度或电场来观察和测量材料的相变行为，包括铁电相变温度、滞回曲线和薄膜电容等。
其次是热学测试。
热学测试主要是对材料的热学性能进行评估。
常用的热学测试方法包括热膨胀测试、热导率测试以及热电测试等。
热膨胀测试是通过测量材料在不同温度下的长度、体积变化来评估材料的热膨胀性能。
热导率测试是通过测量材料在不同温度下的热传导能力来评估材料的热导率。
热电测试是通过测量材料在温度梯度下产生的热电势来评估材料的热电效应，包括热电压和热电流等。
最后是结构测试。
结构测试主要是对材料的结构特性进行评估。
常用的结构测试方法包括X射线衍射（XRD）测试、扫描电子显微镜（SEM）测试以及穆斯堡尔谱测试等。
XRD测试可以通过测量材料的衍射图案来确定材料的晶体结构、晶格参数以及晶体的定向关系。
SEM测试可以通过扫描电子显微镜的镜头对材料的表面形貌和微观结构进行观察和分析。
穆斯堡尔谱测试可以通过测量材料中铁原子的穆斯堡尔谱来确定材料的磁性和铁电性质。
综上所述，铁电材料测试是研究铁电材料性能和特性的重要手段，通过电学测试、热学测试和结构测试等方法可以全面评估材料的性能和特性，为铁电材料的研究和应用提供可靠的数据和参考。
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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。
五、数据处理
将得到的电滞回线，用TF-DH1程序打开，点击程序界面的数据处理，分别记录饱和极化±Ps、剩余极化±Pr、矫顽场±Ec。
六、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。
3、安装样品时，注意将极化电压调到最小。
4、更换、安装、取下样品时，样品电极不能短路。