更新时间:2022-10-25 14:21
铁电体中存在电畴,电畴是指自发极化方向相同的小区域,电畴与电畴之间的边界称为畴壁。对于多晶铁电体,由于各晶粒的取向是完全任意性的,不同电畴中自发极化的相对取向没有任何规律;对于单晶体,铁电体中一般也不会只包含一个电畴,因为单电畴将对应较高的能量,不同电畴中极化强度的相对取向存在着简单的关系。
铁电体出现电滞回线的原因在于存在电畴。铁电体自发极化时能量升高,状态不稳定,晶体趋向于分成许多小区域,每个小区域电偶极子沿同一方向,不同小区域的电偶极子方向不同,每个小区域为电畴。畴之间的边界地区称为畴壁。决定畴壁厚度的因素是各种能量平衡的结果。一般畴壁呈180。、90。,多见于单晶体;斜方晶系的磁畴多呈60。、120。;菱形品系多出现71。、109。
铁电体在外电场的作用下,电畴趋向与外电场方向一致,称为“畴”转向。畴转向是通过新畴的出现、发展和畴壁移动来实现的。外加电场撤去后,小部分电畴偏离极化方向,恢复原位,大部分停留在新转向的极化方向上,导致产生剩余极化。具体过程如图2所示:
①设单晶体的极化强度方向只有沿某轴的正向或负向两种可能。在没有外电场时,晶体总电矩为零(能量最低)。加上外电场后,沿电场方向的电畴扩展、变大,而与电场方向反向的电畴变小。这样极化强度随外电场增加而增加。
②电场强度继续增大,电畴方向趋于电场方向,形成一个单畴,极化强度达到饱和。
③如再增加电场,则极化强度P与电场E成线性增加,沿线性外推至E=0处,相应的Ps值称为饱和极化强度,也就是自发极化强度。
④若电场强度自C处下降,晶体极化强度亦随之减小。在E=0时,仍存在极化强度,就是剩余极化强度PR。
⑤当反向电场强度为Ec时(图1中F点处),剩余极化强度PR全部消失。
⑥反向电场继续增大,极化强度才开始反向,直到反向极化达到饱和到图2中的G处,Ec称为矫顽电场强度。
观察电畴结构的方法有许多种,其中常见的有电子显微术、光学技术、酸腐蚀技术、粉末沉淀法、液晶显示技术,热电技术、x射线技术和凝雾法几种。
1.电子显微法
电子显微法是目前用来观察电畴的主要方法,其优点是分辨率高,而且可观测电场作用下的电畴。扫描电子显微镜(SEM)可直接观察样品表面(通常是在真空中解理后直接观测)。利用透射电子显微镜(TEM)观察电畴则需要在样品制备方面付出较大的努力。TEM用的样品通常是薄箔。制备薄箔时,通常用HF腐蚀,但薄箔厚度不易控制。近来离子束减薄等新技术也被用来制备薄箔样品。也可以用表面每利(修饰法)涌讨TEM来研奔申l畴结构。
2.光学技术
常用的方法是利用铁电晶体的双折射性质把晶片置于正交偏振片之间,用偏光显微镜直接观察电畴结构。这是静态畴结构和研究畴壁运动动力学的最简单方法。但它一般不适用观察反平行畴,因为在畴反转后折射率不变。此外,利用光学二次谐波发生技术可以观察180。畴壁。因为180。畴壁的两边,二阶非线性极化率要改变符号且相位相消,于是包含畴界的区域比周围单畴区更黑暗。除揭示畴结构外,二次谐波产生技术还能用来测量具有周期性几何形状的非常小的畴的宽度。这种技术能用于对二次谐波具有旋光性的晶体,如Pb5Ge3O11还可以利用其旋光性观察180。畴。当一束偏振光沿晶体c轴传播时,一组畴在检偏器后显示出黑暗。另一组畴显示出光亮。实现相位匹配的晶体。光学法观察电畴的尺寸只能到毫米级,而利用透射式电子显微镜则可观察宽度直到纳米级的畴结构以及畴壁运动。
3.液晶显示技术
液晶显示技术是近几年来才发展起来的观察电畴结构的新技术。它是将一薄层向列型液晶覆盖在铁电晶体表面,由于电畴极性的影响,液晶分子会形成一个与畴结构相应的图案,可用偏光显微镜直接观察液晶分子相对于铁电畴的排列。这种方法优于酸腐蚀法和粉末沉淀法。特点是方便、快速,能迅速响应畴结构的快速变化,并具有十分高的分辨率。
4.酸腐蚀技术
利用铁电体在酸中被腐蚀的速度与偶极矩极性有关的特点,不同极性的畴被腐蚀的程度不一样。偶极矩正端被酸腐蚀很快,负端侵蚀速度很慢,用显微镜可直接观察。腐蚀技术的主要缺点是具有破坏性,而且速度慢。
5.粉末沉淀法
利用绝缘液中某些有颜色的带电粒子的沉淀位置来显示出畴结构。比如,黄色的硫和红色的氧化铅(Pb3O4)粉末在乙烷中将分别沉积在畴的负端和正端,从而显示出畴结构。
居里温度又称居里点,铁电性状态一般存在于低温条件下,因为高温时不断增加的热运动的影响足以打乱相邻八面体中共同的位移,从而破坏了畴结构。发生破坏时的温度就是铁电体Curie温度。高于Tc时,材料呈顺电性(即非铁电性)。高于Tc时,仍可维持高的介电常数,但在没有外电场时,不能再保留剩余极化。