一种铁电材料电滞回线的光学测量方法技术

本发明专利技术公开一种铁电材料电滞回线的光学测量方法，步骤1、将铁电材料放置于正交偏振成像系统的物面上；步骤2、给铁电材料加载正向(或反向)电场使其单畴化，随后逐渐卸/加载电场循环一个周期，记录不同电场下的铁电畴结构；步骤3、将加载电场单畴化时的畴壁侧向移动方向作为铁电畴位移方向，提取新畴的长度矢量

An optical method for measuring hysteresis loops of ferroelectric materials

Optical measuring method of the invention discloses a ferroelectric hysteresis loop, step 1, ferroelectric material is placed in the orthogonal polarization imaging system on the surface; step 2, to the ferroelectric material loading forward (or backward) the electric field poling electric field, then gradually unloading / loading cycle of a cycle, ferroelectric recording the domain structure under different electric field; step 3, the domain wall lateral movement direction of the electric field loading single domain as the ferroelectric domain displacement direction, the length of the new domain vector extraction

【技术实现步骤摘要】
一种铁电材料电滞回线的光学测量方法
本专利技术属于铁电材料的测试
，特别涉及一种用光学方法测量铁电材料电滞回线的测试技术。
技术介绍
电滞回线是铁电性的一个标志。测量铁电材料电滞回线的基本原理是将待测样品视为电容，通过测量电流或电压得到测试样品上的极化电荷。测量方法通常有两种：冲击检流计扫描法和Sawyer-Tower电路法。其中，冲击检流计扫描法是利用冲击检流计记录铁电材料极化过程中产生的电荷量，从而获得铁电体的电滞回线。该方法所需的电子器件多，比较复杂。Sawyer-Tower电路法，也称为示波器图示法，通过将铁电材料与电容值很大的标准电容相串联，测量标准电容两端的电压，得到铁电体的电滞回线。该方法相比于冲击检流计扫描法更加简便，是测量电滞回线的经典方法，后续研究者在此基础上做了很多改进。以上方法均属于电学测量方法，具有电学测量中固有的电子元件多、电路设计复杂、价格昂贵等缺点，且不能观察到铁电材料中电畴结构随电场的变化。
技术实现思路
本专利技术提出一种铁电材料电滞回线的光学测量方法。该方法是基于正交偏振成像系统，通过测量不同电场下，极化过程中铁电畴沿畴壁侧向移动方向的位移从而获得铁电材料的电滞回线。本专利技术的一种铁电材料电滞回线的光学测量方法，该方法包括以下步骤：步骤1、搭建正交偏振成像系统，将铁电材料放置于正交偏振成像系统的物面处，控制铁电材料恒温，并处于铁电态；步骤2、利用电场加载系统给铁电材料加载正向(或反向)电场，当外加电场大于材料阈值电场时，新畴产生，畴壁开始运动，再逐渐增大电场到铁电体极化成单畴态。随后，卸载电场—加载反向(或正向)电场—卸载电场—加载正向(或反向)电场，循环一个周期，完成电滞回线测试，记录不同过程不同电场下的铁电畴结构；步骤3、分析步骤2所记录的畴结构，将加载电场单畴化时的畴壁侧向移动方向作为铁电畴位移的正方向，沿畴壁侧向移动方向提取新畴的长度矢量将作为该电场下铁电畴的位移；步骤4、对步骤2所记录的畴结构，从新畴产生处作为初始位置，提取与新畴相邻电场下畴壁侧向移动的相对位移则该电场下铁电畴的位移为再以该电场下的畴作为初始位置，提取与其相邻电场下畴壁侧向移动的相对位移则其相邻电场下铁电畴的位移为即依此方法，提取出彼此相邻电场之间的畴壁侧向移动的相对位移则可得到不同电场下铁电畴的位移为即式中分别为相邻两电场下铁电畴的位移；当畴壁侧向移动方向与铁电畴位移方向相同时，值为正，与铁电畴位移方向相反时，值为负；步骤5、将步骤4得到的数据描点绘图，得到铁电畴位移与外加电场之间的曲线。根据偶极子理论，该曲线即为铁电材料的电滞回线。改变铁电材料测试温度，获得不同温度下的曲线。沿所述步骤(3)中方向上的不同线，得到的铁电畴位移是不同的，但曲线形状是相同的。所述步骤(3)、(4)中所述铁电畴的畴壁移动用其畴壁移动的面积表示，得到其曲线。与现有技术相比，本专利技术既可以实时记录铁电材料在极化过程中的电畴结构，也可获得表征铁电材料特性的电滞回线，具有简单、方便、直观等优点，为铁电材料测试
的研究提供了一种新的方法。附图说明图1为本专利技术提出的一种铁电材料电滞回线的光学测量方法流程图；图2为本专利技术提出的正交偏振成像系统结构示意图；附图标记：1、激光器，2、起偏器，3、晶体，4、显微物镜，5、检偏器，6、CCD，7、计算机，8、电压加载系统，9、温度控制系统；图3为本专利技术实例中Mn:Fe:KTN晶体单畴化及其卸载电场时，在E＝0.0kV/cm、1.0kV/cm、1.75kV/cm、3.0kV/cm、0.5kV/cm和0.0kV/cm时，晶体中的电畴结构图。图4为本专利技术实例中所测得的Mn:Fe:KTN晶体的曲线图。具体实施方式下面以图2所示的实验光路为例，阐述本专利技术测量方法的具体测量过程；步骤1、搭建正交偏振成像系统。该正交偏振成像系统包括激光器1、起偏器2、Mn:Fe:KTN晶体3、显微物镜(×25)4、检偏器5、CCD6、计算机7、电压加载系统8和温度控制系统9。其中Mn:Fe:KTN晶体3是采用顶部籽晶助溶剂法生长的单晶，其尺寸为3.4(x)×2.0(y)×0.94(z)mm3，居里温度为27℃，在xy两表面进行光学抛光，xz两表面镀银电极及导线。电场通过电压加载系统8沿y轴方向加载到晶体3上，即激光器1为波长λ＝532nm的半导体激光器，发出的激光束经起偏器2显微物镜4，检偏器5到达CCD6上，这时起偏器2与检偏器5正交，即处于消光状态；当放入晶体后，晶体3、显微物镜4和CCD6组成成像系统，即可在CCD上观察到晶体中的铁电畴结构，此正交偏振成像系统的放大倍率为25倍。将晶体3放置于正交偏振成像系统的物面处，利用温度控制系统9保持晶体温度恒定于25℃，此时，该晶体处于铁电态；步骤2、给晶体加载正向电场，逐渐增加电场至3.0kV/cm，此时晶体完全单畴化，CCD6记录不同电场下的铁电畴结构。图3的(a)-(d)给出了外加电场分别为kV/cm、1.0kV/cm、1.75kV/cm和3.0kV/cm时，晶体中的铁电畴结构分布；分析不同电场下的畴结构，如图3(a)所示，当外加电场为零时，观察到的畴结构为晶体的自发极化畴；如图3(b)所示，当外加电场时，新畴产生，该电场为阈值电场；如图3(c)所示，当外加电场时，畴壁发生侧向移动，部分畴壁合并；如图3(d)所示，当外加电场时，晶体为单畴态。设加载电场时的畴壁侧向移动方向作为铁电畴位移的正方向(图3中实线箭头表示的方向)；步骤3、从新畴产生处作为初始位置，沿图3(b)中的虚线位置上提取新畴的长度矢量，在观察区域内新畴的矢量长度为将作为电场时铁电畴的位移。如图3(c)所示，提取电场与电场之间畴壁侧向移动的相对位移则电场时，铁电畴的位移如图3(d)所示，提取电场与之间畴壁侧向移动的相对位移则电场时，铁电畴的位移即为晶体单畴化位移。晶体单畴化后，铁电畴位移不变。这时畴壁侧向移动方向与设定的铁电畴位移方向相同，为正值。步骤4、经步骤2和3后晶体单畴化，这时对晶体逐渐卸载电场，记录不同电场下的铁电畴结构。单畴时，铁电畴的位移电场为降低电场到kV/cm，如图3(e)所示，提取电场与之间畴壁侧向移动的相对位移则电场时，铁电畴的位移降低电场到如图3(f)所示，提取电场与之间畴壁侧向移动的相对位移则电场时，铁电畴的位移即这时畴壁侧向移动方向与设定的铁电畴位移方向相反，为负值。步骤5、经步骤4后，对晶体逐渐加载反向电场，记录不同电场下的铁电畴结构。在电场铁电畴的位移如图3(f)所示。增加电场到提取电场与之间畴壁侧向移动的相对位移则电场时，铁电畴的位移增加电场到晶体反向单畴化，提取电场与之间畴壁侧向移动的相对位移则电场时，铁电畴的位移即这时畴壁侧向移动方向与设定的铁电畴位移方向相反，为负值。步骤6、经步骤5后，对晶体逐渐卸载反向电场，记录不同电场下的铁电畴结构。单畴时，铁电畴的位移电场为降低电场到提取电场与之间畴壁侧向移动的相对位移则电场时，铁电畴的位移降低电场到提取电场与之间畴壁侧向移动的相对位移则电场时，铁电畴的位移即这时畴壁侧向移动方向与设定的铁电畴位移方向相同，为正值。步骤7、经步骤6后，对晶体逐渐加载正向电场，记录不同电场下的铁电畴结构。在电场铁电畴的位移增本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铁电材料电滞回线的光学测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤(1)、搭建正交偏振成像系统，将铁电材料放置于正交偏振成像系统的物面处，控制铁电材料恒温，并使其处于铁电态；步骤(2)、利用电场加载系统给铁电材料加载正向(或反向)电场，当外加电场大于材料阈值电场时，新畴产生，畴壁开始运动，再逐渐增大电场到铁电体极化成单畴态。随后，卸载电场—加载反向(或正向)电场—卸载电场—加载正向(或反向)电场，循环一个周期，完成电滞回线测试，记录不同过程不同电场下的铁电畴结构；步骤(3)、分析步骤(2)所记录的畴结构，将加载电场单畴化时畴壁侧向移动方向作为铁电畴位移方向，沿该方向提取新畴的长度矢量

【技术特征摘要】
1.一种铁电材料电滞回线的光学测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤(1)、搭建正交偏振成像系统，将铁电材料放置于正交偏振成像系统的物面处，控制铁电材料恒温，并使其处于铁电态；步骤(2)、利用电场加载系统给铁电材料加载正向(或反向)电场，当外加电场大于材料阈值电场时，新畴产生，畴壁开始运动，再逐渐增大电场到铁电体极化成单畴态。随后，卸载电场—加载反向(或正向)电场—卸载电场—加载正向(或反向)电场，循环一个周期，完成电滞回线测试，记录不同过程不同电场下的铁电畴结构；步骤(3)、分析步骤(2)所记录的畴结构，将加载电场单畴化时畴壁侧向移动方向作为铁电畴位移方向，沿该方向提取新畴的长度矢量将作为该电场下铁电畴的位移；步骤(4)、对步骤(2)所记录的畴结构，从新畴产生处作为初始位置，提取与新畴相邻电场下畴壁侧向移动的相对位移则该电场下铁电畴的位移为再以该电场下的畴作为初始位置，提取与其相邻电场下畴壁侧...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕且妮，李弼华，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12