CN101451972B - 一种区分铁电材料电畴和极性微区的实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种区分铁电材料电畴和极性微区的实现方法，测量铁电材料的电流密度J和电场强度E的关系，对J-E曲线进行分析，去掉测量电流密度中由漏导、介电损耗以及线性极化电流密度的贡献，得到非线性极化电流密度Jn与电场强度E的关系曲线；以非线性极化电流密度Jn峰值相对于电场强度E出现的位置作为自发极化类型的判断和分类标准，该方法通过简单的步骤，可操作性强的判断标准实现了对铁电材料内部自发极化状态的区别和分类。该区分方法的使用成本低，区分的准确性高且实用性强。
Description
技术领域
本发明属于电子材料研究领域，具体涉及一种区分铁电材料电畴和极性微区的实用方法。
背景技术
铁电材料在现代电子工业中有着重要和广泛的应用，并且还有着许多潜在的应用前景。铁电材料内部的自发极化区域一般分电畴(包括宏畴和微畴)和极性微区(自发极化方向为热不稳定)两种。为了满足各种实用需求，新一代铁电材料的化学组成一般都比较复杂，形成的自发极化区域比化学组成简单的经典正常铁电体要复杂得多。根据新型铁电材料的介电性能特点，分别将它们称为弛豫型铁电体，相变扩散型铁电体和正常铁电体。其中大部分都属于弛豫型铁电材料。
一些弛豫型铁电体从低温到高温的不同温度区间，自发极化区域经历宏畴→微畴→极性微区的转变，而另一些弛豫型铁电体则只有极性微区。对于组成复杂的相变扩散型铁电材料和正常铁电材料，它们的介电性能虽然和经典正常铁电体相似，没有显著的介电弛豫现象，但对于其中一些材料呈现非极性的晶体结构现象，迄今尚没有合理解释。
电滞回线(材料极化强度P与外加电场强度E的关系)是铁电材料(正常铁电体和弛豫型铁电体)的基本特征。然而，人们一般无法通过电滞回线来区分正常铁电体和弛豫型铁电体。换句话说，人们无法用电滞回线来有效 判断铁电材料内部的自发极化状态。为了分析复杂组成铁电材料在不同温度可能的极化状态，现在常用的方法是通过分析材料的介电常数与温度和频率的关系，结合X-射线衍射得到的晶体结构等进行推测，没有一个简单直接有效的方法。
发明内容
本发明在于克服上述现有技术不足，提供一种区分铁电材料电畴和极性微区的实现方法，该方法能够简单有效区分铁电材料内部自发极化状态，从而达到降低判断的成本，提高了区分的准确性和实用性。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明是基于铁电材料的电流密度J与电场强度E特性曲线的一种简单有效的区分铁电材料内部自发极化状态的方法。其方法步骤如下：
(1)J-E特性曲线的测量
用德国aixACCT公司的TF Analyzer 2000型铁电测试仪或者其他铁电性能测试系统(如专利申请号CN101158712)测量铁电材料的电流密度J和电场强度E的关系。
(2)非线性极化分析
对J-E曲线进行分析，去掉测量电流密度中由漏导、介电损耗以及线性极化电流密度的贡献，得到非线性极化电流密度Jn与电场强度E的关系曲线；
(3)自发极化状态分类
以非线性极化电流密度Jn峰值相对于电场强度E出现的位置作为自发极化类型的判断和分类标准：
a、若非线性极化电流密度Jn的峰完全位于电流密度J即纵轴与电场强 度E即横轴所构成的直角坐标系的第I和第III象限，则该自发极化全为电畴形态；
b、若非线性极化电流密度Jn峰的大部分位于电流密度J即纵轴与电场强度E即横轴所构成的直角坐标系第I和第III象限，小部分位于第II和第IV象限，则该自发极化为电畴和极性微区共存；
c、若非线性极化电流密度Jn峰位于电流密度J即纵轴与电场强度E即横轴所构成的直角坐标系的纵轴附近，且在第I和第II象限或第III和第IV象限的两部分变化相同或相近，则该自发极化为极性微区。
本发明通过分析反映铁电材料自发极化的非线性极化电流密度与外加电场强度的关系，提出一种简单方便地区分铁电材料中的主要自发极化状态是电畴还是极性微区，以及获取更多相关信息的方法。
本发明提供了一种简单有效区分铁电材料内部自发极化状态的方法。该方法通过简单的步骤，可操作性强的判断标准实现了对铁电材料内部自发极化状态的区别和分类。该区分方法的使用成本低，区分的准确性高且实用性强。
附图说明
图1是铁电材料的测量电流密度J、非线性极化电流Jn与电场强度E的关系曲线图。
图2是97BaTiO3-3Ba(Zn1/3Nb2/3)O3弛豫型铁电陶瓷在-190℃(曲线1)，-20℃(曲线2)和40℃(曲线3)时Jn与E的关系图。
下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。
具体实施方式
参照图1所示，在以电场强度E为横轴，电流密度J为纵轴的坐标系中，铁电材料在周期性的交变电场下的测量电流密度表现为一闭合的曲线，并且该曲线一般在电场上升段都有一个明显的峰。将此直角坐标系按逆时针方向的划分为4个象限，I，II，III和IV。电流峰一般出现在坐标系的第I象限和第III象限。由于材料的多种极化机制及其固有的缺陷，使得测量电流中除了包含铁电畴的信息外还有线性极化，漏导和损耗等很多干扰信息。为了得到反映铁电材料自发极化状态的信息，就必须从测量电流中去掉漏导、损耗和线性极化部分，得到非线性极化电流Jn。将这个分析过程称为非线性极化分析。与直接测量得到的电流密度曲线类似，非线性极化电流密度Jn与电场强度E的关系曲线也表现为一个有峰的闭合曲线。
参照图2所示，为确定97BaTiO3-3Ba(Zn1/3Nb2/3)O3弛豫型铁电陶瓷在不同温度下自发极化状态，应先测量得到该组分陶瓷在不同温度下的电流密度J与电场强度E的特性曲线，然后进行非线性极化分析，如图2所示。曲线1，2，3分别为该组分陶瓷在-190℃，-20℃和40℃时非线性极化电流密度Jn与电场强度E的关系。
自发极化区域以电畴为主的非线性极化电流密度Jn与电场强度E的关系中，电流密度峰的位置和含有大量极性微区的非线性极化电流密度Jn与电场强度E的关系中有显著不同，前者的非线性极化电流密度Jn是随着电场强度的不断增加而出现的，而后者的非线性极化电流密度Jn则是在电场强度不断降低时就呈现明显峰形，只是峰值仍出现在电场增加的一侧。97BaTiO3-3Ba(Zn1/3Nb2/3)O3弛豫型铁电陶瓷在-190℃时，非线性极化电流密 度Jn的峰基本位于直角坐标系第I和第III象限，表明该材料此时的自发极化类型为宏畴结构。当温度升至-20℃时，非线性极化电流密度Jn峰的大部分移至直角坐标系第I和第III象限，小部分位于第II和第IV象限，表明材料这时的自发极化状态转变为微畴和极性微区共存。随着温度继续升高，非线性极化电流密度Jn的峰仍不断向左移动。当温度升至40℃，非线性极化电流密度Jn的峰位于直角坐标系纵轴附近，且在第I和第II象限(第III和第IV象限)的两部分变化基本相同，表明材料的自发极化状态在40℃附近基本上都是极性微区。
Claims (1)
1.一种区分铁电材料电畴和极性微区的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)J-E特性曲线的测量
用德国aixACCT公司的TF Analyzer 2000型铁电测试仪或者铁电性能测试系统测量铁电材料的电流密度J和电场强度E的关系；
2)非线性极化分析
对J-E曲线进行分析，去掉测量电流密度中由漏导、介电损耗以及线性极化电流密度的贡献，得到非线性极化电流密度Jn与电场强度E的关系曲线；
3)自发极化状态分类
以非线性极化电流密度Jn峰值相对于电场强度E出现的位置作为自发极化类型的判断和分类标准：
a、非线性极化电流密度Jn的峰基本位于直角坐标系第I和第III象限，表明该材料此时的自发极化类型为宏畴结构；
b、非线性极化电流密度Jn峰的大部分移至直角坐标系第I和第III象限，小部分位于第II和第IV象限，表明材料这时的自发极化状态转变为微畴和极性微区共存；
c、若非线性极化电流密度Jn峰位于电流密度J即纵轴与电场强度E即横轴所构成的直角坐标系的纵轴附近，且在第I和第II象限或第III和第IV象限的两部分变化相同或相近，则该自发极化为极性微区。
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