2022-2023学年高二物理竞赛课件：电路中反常热释电响应

电路中反常热释电响应 2 电路中反常热释电响应 铁电体的温度改变以后，极化达到新的平衡值需要一定的时间，因此热释电电荷对温度变化的响应并不是瞬时的，而表现出热释电弛豫。热释电响应的时间特性不但在材料表征方面是重要的，而且包含有极化强度变化过程的重要信息。令温度改变ΔT，观测热释电电荷随时间的变化，就可以得到热释电弛豫特性。 3 Pb0.4Ba0.6Nb2O6在其居里点（360°）以上属于4/mmm点群，在居里点以下属于4mm点群。这种晶体是否有另一个铁电相过去一直不清楚。我们主要借助于热释电测量，探测到低温时发生的铁电-铁电相变并确定了低温铁电相的点群为m (C1h )。 4 首先测量了晶体沿3方向的热释电系数p3。在室温至10K范围内，p3随温度的降低而单调降低，无反常变化。 5 因为在4mm点群的晶体中，自发极化必定沿四重轴方向（3方向），没有与之垂直的分量，所以热释电系数p1为零。但是如果发生铁电-铁电相变，自发极化改变方向，则p1将不为零。为了探测p1，我们将晶体的a片降低到150K，施加1kV/mm的电场，在温度降到10K时保持15min再撤去电场，然后在升温过程中观测热释电效应。图8.8示出了热释电系数p1随温度的变化。 6 在约70K以上， p1的确为零，在70K以下则不再为零，而且在20K左右出现峰值。这表明70K以下自发极化不再平行c轴，而有了沿a方向的分量，即发生了相变。 7 8 为了确定低温相自发极化的取向，需要知道自发极化在3个互相垂直方向的分量。为此我们从晶体上切割“两种”a片，一种平行于（100）面，一种平行于（010）面，将这“两种”a片同样的进行上述的电场处理和观测热释电效应。测量表明，在任一温度时，（100）片的热释电系数与（010）片的相等。因为任一方向自发极化分量等于该方向热释电系数对温度的积分， 9 所以上述事实表明，任一温度是自发极化在[100]方向的分量等于其在[010]方向的分量，即自发极化与[100]方向的夹角等于其与[010]方向的夹角。为了满足这一条件，自发极化矢量必须在[100]与[010]夹角的平分面内，也就是在（110）面内，其方向为[hhl]，如图8.9所示。 10 自发极化与c轴的夹角为 其中Pa和Pc分别为自发极化沿a轴和c轴的分量。 11 这里首先需要考虑的是，样品的温度达到平衡时所需要的时间。因为体内温度达到平衡是一个热传导的过程，他显然应该依赖于下列因素：热导率，热容率以及样品的尺寸和形状。量纲分析指出，相应的热弛豫时间为 12 式中c’是单位体积的热容，L是传热方向的长度，T是热导率。对于一个厚度为1mm的片状TGS晶体，室温附近T约为1s。只有在时间超过T以后的热释电响应才是热释电驰豫的表现，所以预先必须对T有一个大略的估计。在发生铁电-铁电相变或铁电-顺电相变时，比热通常出现一个峰值，相应的T也明显增大。 $$