铁电体性能测试系统优化设计

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1、1绪论1绪论铁电性材料是法国药剂师薛格涅特于1672年首先发现的，他在罗息研究酒石酸钾钠，发现了铁电性，被称为“罗息盐”或“薛格涅特盐”，但由于这种材料的性能极不稳定，实用价值不大，但却因此而成为了铁电材料研究的起始点被载入历史。研究发现某些介电晶体在一定温度范围内，出现单位晶胞内正负电荷中心不重合而形成偶极矩。这种在无外电场作用下而存在极化的现象称为自发极化。有些材料的极化强度可以随着外电场方向的改变而反向。并不是所有不存在对称中心的晶体都有自发极化现象。这是因为，晶体不具有对称中心是发生自发式极化的必要条件。同时，晶体被划分为32类晶型（32个点群），这其中有21个没有对称中

2、心，但仅仅只有10种为极性晶体。铁电体的自发极化只存在于某一温度范围内（Ps0），当温度超过某一个极限值后，自发极化就会消失（Ps=0）。此物理过程的临界温度称为居里温度（点）Tc。居里点以上的晶体无铁电性，处于顺电态，相反，居里点以下，晶体则处于铁电态。一般地将存在自发极化的晶体结构称为铁电相，而自发极化消失的结构就被称为顺电相，这一过程伴随着晶体的相变过程。1.1铁电材料的研究发展过程铁电材料发展至今已经有了近百年的历史。从上世纪30年代开始，铁电材料的发展经历了四个发展阶段。第一阶段是两种铁电结构的发现，1920年Valasek发现了罗息盐，随后是KHPO系列的发现；第二

3、阶段开始于上世纪四十年代，这一阶段发现了具有铁电性的BaTi03陶瓷，并提出了能够解释其铁电性的钛离子位移模型，即铁电唯象理论阶段；第三阶段是60年代到70年代的软模阶段，这一时期提出了铁电软模理论，并对其进行了完善；第四阶段是80年代至今，主要是研究各种非均匀系统。80年代中期，铁电薄膜制备技术飞速发展，可以制备质量很好的薄膜样品，特别是开发出了低衬底温度下淀积薄膜的技术，制备出质量高的外延薄膜和取向择优的薄膜，让半导体工艺技术可以兼容铁电薄膜工艺技术，在这样的研究背景下，使得传统的半导体材料与陶瓷材料结合成为可能，形成了集成铁电学这样的新的交叉学科。近年来铁电材料的研究取得了

4、不少的进展，其中最重要的有四个方面：第一性原理的研究计算、尺寸效应、铁电液晶与铁电聚合物的应用科学研究、集成铁电研究[1]。自50年代以来，铁电体的总数急剧增加，现在已知道的铁电体已经达200多种，并且每年还以相当快的数度在增加。有关铁电材料的论文现在更是达到了每年3000篇以上。每年国际上都会有关于铁电材料的学术会议召开比如国际铁电会议（IMF），欧洲1万方数据西安科技大学硕士学位论文铁电会议(EMF)等；还有重量级的专业铁电材料杂志比如（ferroelectrics）等。可以看出铁电材料在材料领域占有很重要的位置，对以后社会的发展有举足轻重的作用。目前已知的铁电体从相变的角度

5、看,主要有无序有序型和位移型铁电体两类。无论是哪一类铁电体,处于铁电相时,结构上总存在正负电荷中心不重合的晶体原胞。铁电材料在外加交变电场作用下都能形成电滞回线，然而不同的材料和不同工艺条件对电滞回线的形状都有很大的影响，因而应用也各不相同，所以分析测试电滞回线及其影响因素，对研究铁电材料的特性是十分重要的。多种因素会对电滞回线的形状造成影响。主要有：（1）温度。极化温度是对电滞回线的形状有影响的，由于极化温度的高低影响到了电畴运动和转向的难易。极化温度比较高的，其电滞回线的形状比较瘦长。（2）极化时间与极化电压。在相同的电场强度下，极化时间长的，具有较高的极化强度，同时也具有较

6、高的剩余极化强度。极化电压加大，电畴转向程度高，剩余极化变大[3]。（3）晶体结构。对于同一种材料，单晶体与多晶体的电滞回线是不相同的。1.2铁电材料的主要特性在一些电介质晶体中，晶胞的结构使正负电荷中心不重合而出现电偶极矩，产生不等于零的电极化强度，使晶体可以发生自发极化，有些晶体在外加电场的作用下，极化方向可以重新定向[2]。这种性质叫铁电性（ferroelectricity）。1.2.1自发极化许多电介质只有在电场的作用下才会发生极化（极化强度不等于零），当电场去除后，极化强度很快衰减到零。对于有些晶体，晶胞本身的正，负电荷中心是不重合的，即晶胞本身具有极性。晶体的晶胞本身

7、有周期性，晶胞的固有电矩就会排列整齐在同一方向上，使晶体处在高度的极化状态下，由于这种极化状态是在外电场为零时自发建立起来的，所以叫做自发极化。具有自发极化的晶体称为热释电晶体。热释电晶体的自发极化强度只能出现在晶体的某几个特定的晶向上。热释电体的自发极化强度值很高，晶体已经处于高度的极化状态下。对于普通的线性电介质，即使加上接近介质击穿的外电场也很难达到这种高度的极化状态。因此，外电场很难使热释电体的自发极化沿着空间的任意方向定向。但是少数热释电体的自发极化强度矢量确能在外电场