2022-2023学年高二物理竞赛课件：铁电体的介电响应

铁电体的介电响应 2 铁电体的介电响应 介电响应与电畴 尺寸效应 tunability 3 介电响应与电畴 畴夹持效应 (clamped effect) 设晶体由180度的畴组成，沿极轴测量小信号电容率，如图6.15所示。测量时所加电场很低，不足以造成极化反转，但在此电场作用下，与之同向的电畴倾向于沿电场方向伸长，与之反向者则收缩。因此各电畴的形变都受到约束，极化改变量的数值小于自由状态下的数值，即电容率因为畴夹持效应而变小。 4 5 这种效应首先在钛酸钡单晶上观察到，测量时晶体上加有直流偏置场。当偏置场很大使晶体成为单畴时，测得c轴相对电容率约为200，而在偏置场反向且等于轿顽场时，电容率只有160。 6 老化（aging）过程是畴结构缓慢变化的过程。单畴化处理时转向的电畴倾向于恢复到原先的位置，因而引起各种性能(包括电容率的)变化。电容率的老化至少部分的可归因于夹持效应。 7 对四方钙钛矿结构陶瓷老化过程的研究表明，电容率的变化可分为两部分 这里右边第一项和第二项分别代表介电各向异性效应（anisotropic effect）和畴夹持效应（clamped effect）的贡献。 8 老化过程中，180畴的增多使夹持效应增大，*C小于零。90 畴壁的增多使信号场遇到的a畴增多，c畴减少,如果α>c，则*A大于零，反之则小于零。因为*A和*C与剩余极化，电致伸缩系数和弹性系数有关，测量这些量后可以计算出*A和*C，从而预言X33的数值。研究表明，预言的数值与实测的结果符合较好。表6.3列出了部分结果。 9 表6.3几种陶瓷在单畴化处理后电容率的老化 材料 测量值X33 *A *C 计算值 BaTiO3 PbZr0.53Ti0.47O3 Nb改性PbZr0.53Ti0.47O3 Fe改性PbZr0.53Ti0.47O3 -27 -22 -7 -42 24 7 27 8.5 -48 -24 -34 -45 -24 -17 -7 -36.5 10 单畴化处理前后电容率的变化可以按照同样的方式加以说明。经足够强的电场处理后，各种畴壁基本消除。与处理前比较，180畴壁和畴夹持效应消失，这将是电容增大。非180畴壁消失对电容率的贡献决定于介电各向异性。钛酸钡和四方相PZT的c轴电容率小于a轴电容率，90畴的消失将是电容率减小。 11 实测结果是单畴化处理后，他们的电容率增大，说明畴夹持效应的消除对电容率的变化起了主导作用。 12 图6.16 畴壁振动 $$