铁电薄膜铁电性能测试及相关测试设备

一、铁电性能简介：

铁电体: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。晶体中，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相对位移，使电荷正负重心不重合，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，每个小区域内部电偶极子沿同一方向，但各个小区域电偶极子方向不同，这些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构型。

二、实验目的：

1、了解什么是铁电体，什么是电滞回线。

2、了解铁薄膜材料的功能和应用前景。

3、使用设备：Huace FE-3000铁电分析仪

三、实验原理

1、铁电体的特点

（1）电滞回线

推荐使用Huace FE-3000铁电分析仪，适用于铁电薄膜、铁电体材料（既可块体材料）的电性能测量，可测量铁电薄膜电滞回线、可地测出具有非对称电滞回线铁电薄膜的Pr值。

其主要技术指标：

1.输出信号电压：：薄膜：0～±10V 陶瓷、材料：0～±2000V

2.输出信号频率：薄膜材料1-1000HZ，陶瓷：0-1Hz

3.电容范围：1000nf～ 100nf, 精度: ≤1%。

4.电流范围: 1nA～10A ,精度: ≤1%。

5、测试样品：0-20mm 5个

6、高压样品池：2个，一个封闭式：8CM*6CM 一个开放式：8CM*5CM

7、探针台：一个

8、电流：1-10倍放大，信号：1-20倍。.数据结口：USB或BNC接口。

9. 数据采集分析软件： 能画出铁电薄膜的电滞回线，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、漏电流等参数;可以进行铁电薄膜材料的铁电疲劳性能、铁电保持性能的测试，电阻测量，漏电流测量。

10.可以配合相关压电测试仪操作系统

2、实验内容

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。

【实验步骤】

1. 准备工作：首先开启计算机，阅读仪器说明书。

2. 初始化：在低电压（100V）下运行测量软件，开启测量仪，并检查探针位置是否正确。

3. 确定高压区间V ：调整高电压和低电压， 观察能出现标准电滞回线的最大和最小的 电压值，并记录为Vmax和Vmin，高压区间为V = Vmax* Vmin。值得注意的是，软件中输入的高压值在本次试验的试验仪上通常达不到，因此需要输入比目标电压更高 一些的电压值，电压值以实际高压为准。（备注：高压区间指的是保持标准电滞回线的zui 低和最高电压。）

4. 测量电滞回线：在刚刚确定的那个电压范围内，选择五个电压值，间隔为?V /5，分别测量在这五个电压值下的电滞回线，并且保留电滞回线测量数据。

5. 拷贝并带回电滞回线测量数据，以便于后续数据处理使用。

6. 实验结束后，先关闭测量仪，后关闭计算机。

7. 用电滞回线测量数据，计算相应的数据Pr、Ps、Ec。