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鐵電性是材料科學(xué)里面的一個常見的概念，它是指在一些電介質(zhì)晶體中，晶胞的結(jié)構(gòu)使正負(fù)電荷中心不重合而出現(xiàn)電偶極矩，產(chǎn)生不等于零的電極化強(qiáng)度，使晶體具有自發(fā)極化，且電偶極矩方向可以因外電場而改變，呈現(xiàn)出類似于鐵磁體的特點，晶體的這種性質(zhì)叫鐵電性。什么是自發(fā)極化呢？每個晶胞中原子的構(gòu)型使正負(fù)電荷重心沿該方向發(fā)生相對位移從而使得晶體的單位晶胞內(nèi)正負(fù)電荷中心不重合，形成偶極矩，從而會呈現(xiàn)出極性。而晶體構(gòu)造的周期性和重復(fù)性，晶胞的固有電矩便會沿著同一方向排列整齊，使得晶體處于高度的極化狀態(tài)，由于這種極化狀態(tài)是在外電場為零時自發(fā)地建立起來的，因此稱為自發(fā)極化。鐵電性由法國的Valasek于1920年在羅息鹽晶體中被發(fā)現(xiàn)。從那時起，許多有機(jī)和無機(jī)鐵電材料被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)[1]。
鐵電材料具有自發(fā)極化，并且在外加電場作用下能夠誘導(dǎo)極化翻轉(zhuǎn)的特性。鐵電材料是指具有鐵電效應(yīng)的一類材料，由于其往往具有鐵電特性、壓電特性、電光特性，所以鐵電材料的應(yīng)用研究已經(jīng)成為了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點。松山湖材料實驗材料制備與表征平臺經(jīng)過多年的建設(shè)發(fā)展，具有多款儀器可用于表征證明材料的鐵電特性。有鐵電分析儀(TF analyzer)、半導(dǎo)體參數(shù)分析儀(Keysight B1500)和壓力電力顯微鏡(PFM)、掃描阻抗顯微鏡(SCM)、導(dǎo)電原子力顯微鏡(C-AFM)等。小編將結(jié)合研究論文逐步介紹其在鐵電材料表征的具體運用。
儀器介紹：北京華測試驗儀器公司生產(chǎn)的TF 3000鐵電分析儀是一款可表征鐵電薄膜材料和塊體、壓電塊體材料的各類參數(shù)測量儀器。該儀器為模塊化設(shè)計，不同的模塊對應(yīng)不同的點特性測試方式。鐵電分析儀具有動態(tài)電滯回線(Dynamic Hysteresis)；脈沖測試(PUND)；疲勞測Fatigue試(FM)；保持力Retention (RM)；漏電流測試Leakage current (LM)、電致應(yīng)變測試(d33)等多種功能。
鐵電表征原理：鐵電分析儀是一款專業(yè)用于分析表征鐵電材料特性的儀器，其通過對試樣表面施加階躍電壓時的電流、電容、電荷響應(yīng)獲取到材料的極化強(qiáng)度等參量，進(jìn)而獲取到鐵電材料動態(tài)電滯回線(Dynamic Hysteresis) 。
鐵電材料的電滯回線表征其在外加電場作用下，極化強(qiáng)度P與電場E的非線性關(guān)系。如圖1所示，隨著電場增大，極化強(qiáng)度P沿曲線OA非線性增大。電場繼續(xù)增大，極化強(qiáng)度P沿曲線BC緩慢變化并趨于飽和。BC的切線與P軸的交點即為飽和極化強(qiáng)度，也是無電場下的自發(fā)極化強(qiáng)度，記為Ps。當(dāng)電場撤去后，極化P不會沿原來的曲線減小為0，而是保持一個極化量，稱為剩余極化強(qiáng)度Pc。要使極化減小為0，則需要增加一個反向電場，此時的電場強(qiáng)度稱為矯頑電場Ec。繼續(xù)增大反向電場，極化反向并增大至趨于飽和，如此循環(huán)便得到電滯回線。電滯回線是鐵電體一個非常重要的特征，對它進(jìn)行測定，可以得到鐵電體自發(fā)極化強(qiáng)度Ps、剩余極化強(qiáng)度Pc、矯頑電場Ec等重要的參數(shù)。
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