《介电响应》PPT课件

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1、Dielectricresponse铁电体的介电响应介电响应与电畴尺寸效应tunability1wangcl@sdu.edu.cn介电响应与电畴畴夹持效应(clampedeffect)设晶体由180度的畴组成，沿极轴测量小信号电容率，如图6.15所示。测量时所加电场很低，不足以造成极化反转，但在此电场作用下，与之同向的电畴倾向于沿电场方向伸长，与之反向者则收缩。因此各电畴的形变都受到约束，极化改变量的数值小于自由状态下的数值，即电容率因为畴夹持效应而变小。2wangcl@sdu.edu.cn3wangcl@sdu.e

2、du.cn这种效应首先在钛酸钡单晶上观察到，测量时晶体上加有直流偏置场。当偏置场很大使晶体成为单畴时，测得c轴相对电容率约为200，而在偏置场反向且等于轿顽场时，电容率只有160。4wangcl@sdu.edu.cn老化（aging）过程是畴结构缓慢变化的过程。单畴化处理时转向的电畴倾向于恢复到原先的位置，因而引起各种性能(包括电容率的)变化。电容率的老化至少部分的可归因于夹持效应。5wangcl@sdu.edu.cn对四方钙钛矿结构陶瓷老化过程的研究表明，电容率的变化可分为两部分这里右边第一项和第二项分别代表介电各

3、向异性效应（anisotropiceffect）和畴夹持效应（clampedeffect）的贡献。6wangcl@sdu.edu.cn老化过程中，180畴的增多使夹持效应增大，*C小于零。90畴壁的增多使信号场遇到的a畴增多，c畴减少,如果α>c，则*A大于零，反之则小于零。因为*A和*C与剩余极化，电致伸缩系数和弹性系数有关，测量这些量后可以计算出*A和*C，从而预言X33的数值。研究表明，预言的数值与实测的结果符合较好。表6.3列出了部分结果。7wangcl@sdu.edu.cn

4、表6.3几种陶瓷在单畴化处理后电容率的老化材料测量值X33*A*C计算值BaTiO3PbZr0.53Ti0.47O3Nb改性PbZr0.53Ti0.47O3Fe改性PbZr0.53Ti0.47O3-27-22-7-42247278.5-48-24-34-45-24-17-7-36.58wangcl@sdu.edu.cn单畴化处理前后电容率的变化可以按照同样的方式加以说明。经足够强的电场处理后，各种畴壁基本消除。与处理前比较，180畴壁和畴夹持效应消失，这将是电容增大。非180畴壁消失对电容率的贡献决定于

5、介电各向异性。钛酸钡和四方相PZT的c轴电容率小于a轴电容率，90畴的消失将是电容率减小。9wangcl@sdu.edu.cn实测结果是单畴化处理后，他们的电容率增大，说明畴夹持效应的消除对电容率的变化起了主导作用。10wangcl@sdu.edu.cn畴壁运动对电容率的贡献在弱的交变电场作用下，畴壁将在其平衡位置附近振动，显然这是对电容率的一种贡献。而且不难想象，当交变场的频率很高时，畴壁将因惯性不能跟随电场的运动，于是这一部分贡献消失。11wangcl@sdu.edu.cn图6.16畴壁振动12wangcl@s

6、du.edu.cn图6.16时除了多晶钛酸钡室温电容率的频率特性。在109Hz和1011Hz附近实部显著下降并在稍高的频率出现虚部的峰值。1011Hz附近的色散在单畴单晶上也观察到了，因此它与电畴无关。109Hz附近的色散则是单畴晶体上没有的，被认为是畴壁振动的结果。频率较低时，畴壁振动对电容率由一个恒定的贡献。频率超过109Hz时，畴壁不再能跟随电场的振动，该频率是畴壁运动的弛豫频率。13wangcl@sdu.edu.cn关于畴壁运动与电容率及其他参量的关系已有许多研究。在频率很低时，畴壁运动受限于弹性恢复力，后者

7、正比于前者对其平衡位置的偏离。对于在单晶内运动的90畴壁，恢复力也来源于畴壁运动造成的长程内电场。由于90畴壁的集体运动，晶粒发生弹性形变，因而出现内应力，他对畴壁运动产生恢复力。同时畴壁运动改变了晶粒间界出极化电荷的分布，造成内电电场，他对畴壁运动产生电恢复力。14wangcl@sdu.edu.cn在频率很高时则还必须计入动力学效应。惯性大小决定于畴壁的有效质量。陶瓷中畴壁的有效质量正比于晶粒的质量，因为集体位移造成的弹性形变是整个晶粒都参与了运动。摩擦阻力正比于畴壁的速度。阻力的来源之一是格波在运动着的畴壁上

8、的反射，由于实际样品中电畴结构十分复杂，较早的理论计算与实验结果比较都未能达到定量的符合。15wangcl@sdu.edu.cn最近，Pertsev等的工作有新的进展，他们计算了PZT陶瓷中畴壁振动对电容率的贡献，与实际观测到的接近1GHz时的介电色散符合得很好。他们假设晶粒中有足够的可移动载流子以屏蔽自发极化，因此不需要出现180畴来消除退