一種區分鐵電材料電疇和極性微區的實現方法
2023-05-09 14:02:01 3
專利名稱：一種區分鐵電材料電疇和極性微區的實現方法
技術領域：
本發明屬於電子材料研究領域，具體涉及一種區分鐵電材料電疇和極性 微區的實用方法。
背景技術：
鐵電材料在現代電子工業中有著重要和廣泛的應用，並且還有著許多潛 在的應用前景。鐵電材料內部的自發極化區域一般分電疇(包括宏疇和微疇) 和極性微區(自發極化方向為熱不穩定)兩種。為了滿足各種實用需求，新 一代鐵電材料的化學組成一般都比較複雜，形成的自發極化區域比化學組成 簡單的經典正常鐵電體要複雜得多。根據新型鐵電材料的介電性能特點，分 別將它們稱為弛豫型鐵電體，相變擴散型鐵電體和正常鐵電體。其中大部分 都屬於弛豫型鐵電材料。
一些弛豫型鐵電體從低溫到高溫的不同溫度區間，自發極化區域經歷宏 疇—微疇—極性微區的轉變，而另一些弛豫型鐵電體則只有極性微區。對於 組成複雜的相變擴散型鐵電材料和正常鐵電材料，它們的介電性能雖然和經 典正常鐵電體相似，沒有顯著的介電弛豫現象，但對於其中一些材料呈現非 極性的晶體結構現象，迄今尚沒有合理解釋。
電滯回線(材料極化強度P與外加電場強度E的關係)是鐵電材料(正 常鐵電體和弛豫型鐵電體)的基本特徵。然而，人們一般無法通過電滯回線 來區分正常鐵電體和弛豫型鐵電體。換句話說，人們無法用電滯回線來有效判斷鐵電材料內部的自發極化狀態。為了分析複雜組成鐵電材料在不同溫度 可能的極化狀態，現在常用的方法是通過分析材料的介電常數與溫度和頻率 的關係，結合X —射線衍射得到的晶體結構等進行推測，沒有一個簡單直接 有效的方法。
發明內容
本發明在於克服上述現有技術不足，提供一種區分鐵電材料電疇和極性 微區的實現方法，該方法能夠簡單有效區分鐵電材料內部自發極化狀態，從 而達到降低判斷的成本，提高了區分的準確性和實用性。
本發明的技術方案是這樣實現的
本發明是基於鐵電材料的電流密度J與電場強度E特性曲線的一種簡單 有效的區分鐵電材料內部自發極化狀態的方法。其方法步驟如下
(1) J-E特性曲線的測量
用德國aixACCT公司的TF Analyzer 2000型鐵電測試儀或者其他鐵電性 能測試系統(如專利申請號CN101158712)測量鐵電材料的電流密度J和電 場強度E的關係。
(2) 非線性極化分析
對J-E曲線進行分析，去掉測量電流密度中由漏導、介電損耗以及線性 極化電流密度的貢獻，得到非線性極化電流密度Jn與電場強度E的關係曲線;
(3) 自發極化狀態分類
以非線性極化電流密度Jn峰值相對於電場強度E出現的位置作為自發 極化類型的判斷和分類標準
a、若非線性極化電流密度Jn的峰完全位於電流密度J即縱軸與電場強度E即橫軸所構成的直角坐標系的第I和第III象限，則該自發極化全為電疇
形態；
b、若非線性極化電流密度Jn峰的大部分位於電流密度J即縱軸與電場
強度E即橫軸所構成的直角坐標系第I和第III象限，小部分位於第II和第 IV象限，則該自發極化為電疇和極性微區共存；
c、若非線性極化電流密度Jn峰位於電流密度J即縱軸與電場強度E即 橫軸所構成的直角坐標系的縱軸附近，且在第I和第II象限或第III和第IV 象限的兩部分變化相同或相近，則該自發極化為極性微區。
本發明通過分析反映鐵電材料自發極化的非線性極化電流密度與外加 電場強度的關係，提出一種簡單方便地區分鐵電材料中的主要自發極化狀態 是電疇還是極性微區，以及獲取更多相關信息的方法。
本發明提供了一種簡單有效區分鐵電材料內部自發極化狀態的方法。該 方法通過簡單的步驟，可操作性強的判斷標準實現了對鐵電材料內部自發極 化狀態的區別和分類。該區分方法的使用成本低，區分的準確性高且實用性 強。
圖1是鐵電材料的測量電流密度J、非線性極化電流Jn與電場強度E的
關係曲線圖。
圖2是97BaTi03-3Ba(Zn1/3Nb2/3)03弛豫型鐵電陶瓷在-190 。C(曲線1)， -20 。C(曲線2)和40。C(曲線3)時Jn與E的關係圖。
下面結合附圖對本發明的內容作進一步詳細說明。
具體實施例方式
參照圖1所示，在以電場強度E為橫軸，電流密度J為縱軸的坐標系 中，鐵電材料在周期性的交變電場下的測量電流密度表現為一閉合的曲線， 並且該曲線一般在電場上升段都有一個明顯的峰。將此直角坐標系按逆時針
方向的劃分為4個象限，I， II， III和IV。電流峰一般出現在坐標系的第I象限
和第ni象限。由於材料的多種極化機制及其固有的缺陷，使得測量電流中除
了包含鐵電疇的信息外還有線性極化，漏導和損耗等很多幹擾信息。為了得 到反映鐵電材料自發極化狀態的信息，就必須從測量電流中去掉漏導、損耗
和線性極化部分，得到非線性極化電流Jn。將這個分析過程稱為非線性極化 分析。與直接測量得到的電流密度曲線類似，非線性極化電流密度Jn與電場 強度E的關係曲線也表現為一個有峰的閉合曲線。
參照圖2所示，為確定97BaTi03-3Ba(Zn1/3Nb2/3)03弛豫型鐵電陶瓷在不 同溫度下自發極化狀態，應先測量得到該組分陶瓷在不同溫度下的電流密度 J與電場強度E的特性曲線，然後進行非線性極化分析，如圖2所示。曲線1， 2， 3分別為該組分陶瓷在-190。C， -20°(^和40°(:時非線性極化電流密度^ 與電場強度E的關係。
自發極化區域以電疇為主的非線性極化電流密度Jn與電場強度E的關 系中，電流密度峰的位置和含有大量極性微區的非線性極化電流密度Jn與電
場強度E的關係中有顯著不同，前者的非線性極化電流密度Jn是隨著電場強 度的不斷增加而出現的，而後者的非線性極化電流密度Jn則是在電場強度不 斷降低時就呈現明顯峰形，只是峰值仍出現在電場增加的一側。
97BaTiOr3Ba(Znv3Nb2/3)03弛豫型鐵電陶瓷在-19(TC時，非線性極化電流密度Jn的峰基本位於直角坐標系第I和第III象限，表明該材料此時的自發極化 類型為宏疇結構。當溫度升至-20。C時，非線性極化電流密度Jn峰的大部分
移至直角坐標系第i和第m象限，小部分位於第n和第iv象限，表明材料 這時的自發極化狀態轉變為微疇和極性微區共存。隨著溫度繼續升高，非線
性極化電流密度Jn的峰仍不斷向左移動。當溫度升至40 °C，非線性極化電
流密度Jn的峰位於直角坐標系縱軸附近，且在第i和第n象限(第m和第
iv象限)的兩部分變化基本相同，表明材料的自發極化狀態在40。C附近基
本上都是極性微區。
權利要求
1、一種區分鐵電材料電疇和極性微區的實現方法，其特徵在於，包括以下步驟1)J-E特性曲線的測量用德國aixACCT公司的TF Analyzer 2000型鐵電測試儀或者鐵電性能測試系統測量鐵電材料的電流密度J和電場強度E的關係；2)非線性極化分析對J-E曲線進行分析，去掉測量電流密度中由漏導、介電損耗以及線性極化電流密度的貢獻，得到非線性極化電流密度Jn與電場強度E的關係曲線；3)自發極化狀態分類以非線性極化電流密度Jn峰值相對於電場強度E出現的位置作為自發極化類型的判斷和分類標準a、若非線性極化電流密度Jn的峰完全位於電流密度J即縱軸與電場強度E即橫軸所構成的直角坐標系的第I和第III象限，則該自發極化全為電疇形態；b、若非線性極化電流密度Jn峰的大部分位於電流密度J即縱軸與電場強度E即橫軸所構成的直角坐標系第I和第III象限，小部分位於第II和第IV象限，則該自發極化為電疇和極性微區共存；c、若非線性極化電流密度Jn峰位於電流密度J即縱軸與電場強度E即橫軸所構成的直角坐標系的縱軸附近，且在第I和第II象限或第III和第IV象限的兩部分變化相同或相近，則該自發極化為極性微區。
全文摘要
本發明公開了一種區分鐵電材料電疇和極性微區的實現方法，測量鐵電材料的電流密度J和電場強度E的關係，對J-E曲線進行分析，去掉測量電流密度中由漏導、介電損耗以及線性極化電流密度的貢獻，得到非線性極化電流密度Jn與電場強度E的關係曲線；以非線性極化電流密度Jn峰值相對於電場強度E出現的位置作為自發極化類型的判斷和分類標準，該方法通過簡單的步驟，可操作性強的判斷標準實現了對鐵電材料內部自發極化狀態的區別和分類。該區分方法的使用成本低，區分的準確性高且實用性強。
文檔編號G01N27/00GK101451972SQ20081023655
公開日2009年6月10日 申請日期2008年12月31日 優先權日2008年12月31日
發明者樂 王, 王曉莉, 鯨 石 申請人:西安交通大學