2022-2023学年高二物理竞赛课件：电路的极化反转过程

1 电路的极化反转过程 极化反转基本过程 极化反转的唯象理论 极化反转和疲劳 2 实验方法 研究极化反转的基本电路如下图所示。 其中FE（ferroelectrics）代表所研究的铁电体， S（signal source）是信号源，提供方脉冲或三角脉冲。极化强度P反转时，流过电阻R的电流为i。i作为时间的函数可用示波器显示。 3 4 设样品的电容为C。为了正确显示电流，电路的时间常数RC要远小于极化反转所需时间t。极化反转造成的电流i称为反转电流，i随时间的变化称为反转脉冲。 下图是是一个典型的反转脉冲，它是早期在BaTiO3上得到的。曲线A和B分别是电场与极化强度反向和同向时测得的。 起始时的电流峰是信号对样品的充电电流，与极化反转无关。 5 6 重要的测得量是反转时间ts，最大反转电流imax，达到imax的时间tmax，以及反转脉冲得形状。但是其中ts与imax不是相互独立的。 令开始施加电场的时间为t=0，则由位移电流表达式可得 （5.48） 7 是一个无量纲的量，它依赖于反转脉冲的形状，称为形状因子。反转脉冲程指数衰减时，f=0.43，是矩形波时，f=1。 上式表明，只要形状因子保持恒定，则测量最大反转电流imax与反转时间ts是等效的。 其中 8 图（5.17）所示曲线A下的面积减去曲线B下的面积等于极化反转所提供的电荷，其值为2APs，A是与极化强度垂直的电极面积。由此可得到自发极化强度的大小。 这种方法要求样品的电导很小，否则传导电流将掩盖位移电流，使测量无法进行。当电导率较大时，可用例如热电方法测量施加电场后的剩余极化强度来研究极化反转。 9 极化反转的基本过程 在大量实验的基础上，明确了极化反转的过程有下列几个主要阶段组成： （1）新畴成核 nucleation （2）畴的纵向长大 forward growth （3）畴的横向长大 side growth （4）畴的合并 merge 10 反向畴的成核及其纵向长大和横向扩张 11 Nucleation n是单位时间单位面积成核数，是激活场。这一规律在KDP等晶体上得到了证实。 新畴成核在电场很低时即可以发生。一般认为，至少在低场范围，成核率符合指数关系 12 在较高电场时，成核率表现为幂率。例如BaTiO3在E=5—250kV/cm时 $$