铁电薄膜的铁电性能表征.docx

实验10.2 铁电薄膜的铁电性能表征摘要铁电现象第一次发现是在1920年，由瓦拉赛尔发现外场可以使罗西盐的极化方向反转，但是铁电现象直到40年代初才得以被广泛研究。如今铁电现象因为其独特性质得到了广泛的应用，而本实验就是为了初步探究本现象的物理性质。本实验测量了铁电材料的电滞回线，并且改变电压测量了不同电压下的图像和矫顽力等数值。作者又进一步对此现象进行了初步探究，研究了其相关机理。关键词：近代物理实验，铁电材料，电滞回线一、实验目的：一、对铁电体，电滞回线有初步了解二、学会电滞回线测量原理和方法。三、了解铁薄膜材料的功能和应用前景。二、实验仪器 TD-88A型铁电性能综合测试系统配件清单：序号名称规格型号数量备注1台式微机12专用高速采集控制卡13铁电性能综合测试仪TD-88A型14专用软件TD-88A15专用测试平台16专用三维微米级测试架27专用测试探针28专用测试电缆12连接样品用9专用测试电缆22连接匹配电容用10专用通讯电缆2连接测试仪和微机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。图12-2-3 铁电性能测量仪结构框图测量电路目前，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23，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。三、实验原理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 (12.2-1) 式中为图中电源V的角频率 为铁电体的介电常数, 为真空的介电常数,S为平板电容 的面积，为 平行平板间距离，代入（12.2-1）式得： (12.2-2)根据电磁学 (12.2-3)对于铁电体1，固有后一近似等式，代入（12.2-2）式 ， 四、实验步骤一，打开电脑，确认其正常工作后，打开相关仪器的开关。注意步骤不可颠倒，因为电脑开关机时均会产生随机信号，进入仪器对其造成干扰，产生电火花甚至可能破坏仪器。二， 打开电脑中的测量软件，保持其他参数值不变，改变电压大小，从700-1000V，每50V为一间隔，测量不同电压下的电滞回线。三，在c盘文件路径下拷贝出数据四，关闭仪器，然后关闭电脑，原因与一相似。五，处理数据，撰写报告。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（拟合饱和区点并延长直线交P轴读数）、剩余极化Pr（E=0时P的数值）、矫顽场Ec（P=0时E的数值）。五、实验结果与数据处理U=700V+Ps=51.835 -Ps=-53.690 +Pr=49.356 Pr=-48.381 +Ec=393.07 Ec=-458.00图像如下所示U=750V+Ps=53.629 -Ps=-57.628 +Pr=50.6545 -Pr=-49.160 +Ec=398.94 -Ec=-473.44图像如下所示U=800V+Ps=54.863 -Ps=-54.762 +Pr=51.7583 -Pr=-49.810+Ec=404.63 Ec= -480.644图像如下所示U=850V+Ps=55.967 -Ps=-56.031 +Pr=52.667 -Pr=-50.459 +Ec=413.23 -Ec=-489.23 图像如下所示U=900V+Ps=57.058 -Ps=-56.94 +Pr=53.512 -Pr=-50.979 +Ec=416.48 -Ec=-496.60 图像如下所示U=950V+Ps=58.185 -Ps=-57.115 +Pr=54.291 -Pr=-51.693 +Ec=425.172 Ec=-501.924 图像如下所示U=1000V+Ps=59.224 -Ps=-58.259 +Pr=55.070 -Pr=-52.212 +Ec=429.68 -Ec=-505.19 图像如下所示六、数据分析一，关于在一定电压下测量的电滞回线：我们可以由几张电滞回线的图，总结出在一般情况下，均有+Ps、-Ps绝对值相近，+Pr、-Pr绝对值相近，但是+Ec 、-Ec却有着明显的数值差距。二，关于电滞回线随电压变化：+Ps、-Ps、+Pr、-Pr、+Ec 、-Ec绝对值皆随着电压增大而增大。七、原理探究 在该实验中，一个让笔者感兴趣的问题是： 为何+Ec,-Ec会有如此明显的数值差异？笔者发现，无论是电滞回线，还是磁滞回线，都会在双重薄膜时出现这种现象。在磁学中，这种现象叫做：交换偏置。用伊森模型可以很好地解释这个现象。我们把两层薄膜里的所有原子都等效为点偶极子，他们之间有相互作用的交换作用能，记作Jex。同时，在电场下，每个点偶极子的取向也会受到电场干扰，电偶极子的电场能记作Je。在这两个能量作用下，我们能比较理想的模拟出电滞回线，但遗憾的是，并不能观察到明显的交换偏置。笔者调查后发现，这种问题将会在我们引入新的能量，也即磁性材料的各向异性能之后得以解决。记作Jm因而总能量为J=Jex+Je+Jm。我们假设铁电材料初始状态的点偶极子有一个随机排布，方向任意，则在电场作用下，我们通过计算机模拟metropolice过程即可得到完整的电滞回线基本原理是，随机更改某一个点偶极子的指向，如果使体系能量变小，则允许该指向；若使能量增大，引入函数exp(-e/kT),产生随机数小于函数值，便允许该改变，否则不允许变化。笔者基于磁模型进行了模拟，因程序比较长，展示主程序部分如下：void main() srand(int)time(0); /*随机函数的种子*/ FILE *fp; fp=fopen(output.dat,w); double thetaNNH,faiNNH,mthetaNNH,mfaiNNH; double preE,postE,deltE; double destfai,desttheta,sieve,target,hc; /*H非常不凑巧的被我用来表示晶格的z大小了，所以场的大小用hc表示吧*/ double finalx,finaly,finalz,final; int i,j,k,mass,destiny,destx,desty,destz; long int count; mass=N*N*H; /*you should pay attention that mass is INT which can not hold large numbers*/ for(i=0;iN;i+) for(j=0;jN;j+) thetaijh1-1=0; faiijh1-1=pi/2; for(i=0;iN;i+) for(j=0;j0;k-) thetaijk-1=pi-thetaijk; faiijk=pi/2; /*original condition*/ for(i=0;iN;i+) for(j=0;jN;j+) for(k=h1;k=-range;hc=hc-stair) for(count=0;countSTEP;count+) destiny=select(mass); destx=conversionx(destiny); desty=conversiony(destiny); destz=conversionz(destiny); destfai=changefai(); desttheta=changetheta(); /fprintf(fp,%d %d %d %lf %lfn,destx,desty,destz,destfai,desttheta); preE=exchange(fai,theta,destx,desty,destz,0.00,0.00,hc); postE=exchange(fai,theta,destx,desty,destz,desttheta,destfai,hc); deltE=postE-preE; /*能量变量*/ /fprintf(fp,%lf %lf %lfn,preE,postE,deltE); if(deltE0.0) sieve=random(); /*这个是筛子*/ /fprintf(fp, %lfn,sieve);/*上面的一系列灰色代码是debug用的别介意*/ target=exp(-deltE/Kt); /*这个是靶*/ if(sievetarget) /*判断是否落了进去*/ thetadestxdestydestz=thetadestxdestydestz+desttheta; faidestxdestydestz=faidestxdestydestz+destfai; for(count=0;countSTEP;count+) destiny=select(mass); destx=conversionx(destiny); desty=conversiony(destiny); destz=conversionz(destiny); destfai=changefai(); desttheta=changetheta(); /fprintf(fp,%d %d %d %lf %lfn,destx,desty,destz,destfai,desttheta); preE=exchange(fai,theta,destx,desty,destz,0.00,0.00,0); postE=exchange(fai,theta,destx,desty,destz,desttheta,destfai,0); deltE=postE-preE; /*能量变量*/ /fprintf(fp,%lf %lf %lfn,preE,postE,deltE); if(deltE0.0) sieve=random(); /*这个是筛子*/ /fprintf(fp, %lfn,sieve);/*上面的一系列灰色代码是debug用的别介意*/ target=exp(-deltE/Kt); /*这个是靶*/ if(sievetarget) /*判断是否落了进去*/ thetadestxdestydestz=thetadestxdestydestz+desttheta; faidestxdestydestz=faidestxdestydestz+destfai; finalx=0.0;finaly=0.0;finalz=0.0; for(i=0;iN;i+) for(j=0;jN;j+) for(k=h1;kH;k+) /*各个方向上的H量加和*/ finalx=finalx+sin(faiijk)*cos(thetaijk); finaly=finaly+sin(faiijk)*sin(thetaijk); finalz=finalz+cos(faiijk); finalx=finalx/(N*N*(H-h1);finaly=finaly/(N*N*(H-h1);finalz=finalz/(N*N*(H-h1); final=sqrt(finalx*finalx+finaly*finaly+finalz*finalz); /*最终的磁化强度刻画量用final代替，求出开根号的值*/ fprintf(fp,%lf %lf %lf %lf %lfn,hc,finalx,finaly,finalz,final);for(hc=-range;hc=range;hc=hc+stair) for(count=0;countSTEP;count+) destiny=select(mass); destx=conversionx(destiny); desty=conversiony(destiny); destz=conversionz(destiny); destfai=changefai(); desttheta=changetheta(); /fprintf(fp,%d %d %d %lf %lfn,destx,desty,destz,destfai,desttheta); preE=exchange(fai,theta,destx,desty,destz,0.00,0.00,hc); postE=exchange(fai,theta,destx,desty,destz,desttheta,destfai,hc); deltE=postE-preE; /*能量变量*/ /fprintf(fp,%lf %lf %lfn,preE,postE,deltE); if(deltE0.0) sieve=random(); /*这个是筛子*/ /fprintf(fp, %lfn,sieve);/*上面那个是debug用的别介意*/ target=exp(-deltE/Kt); /*这个是靶*/ if(sievetarget) /*判断是否落了进去*/ thetadestxdestydestz=thetadestxdestydestz+desttheta; faidestxdestydestz=faidestxdestydestz+destfai; for(count=0;countSTEP;count+) destiny=select(mass); destx=conversionx(destiny); desty=conversiony(destiny); destz=conversionz(destiny); destfai=changefai(); desttheta=changetheta(); /fprintf(fp,%d %d %d %lf %lfn,destx,desty,destz,destfai,desttheta); preE=exchange(fai,theta,destx,desty,destz,0.00,0.00,0); postE=exchange(fai,theta,destx,desty,destz,desttheta,destfai,0); deltE=postE-preE; /*能量变量*/ /fprintf(fp,%lf %lf %lfn,preE,postE,deltE); if(deltE0.0) sieve=random(); /*这个是筛子*/ /fprintf(fp, %lfn,sieve);/*debug用*/ target=exp(-deltE/Kt); /*这个是靶*/ if(sievetarget) /*判断是否落了进去*/ thetadestxdestydestz=thetadestxdestydestz+desttheta;