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介电响应2 17_070125103614

wangcl@sdu.edu.cn Dielectric response 铁电体的介电响应 介电响应与电畴 尺寸效应 tunability 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。 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。 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。 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 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。 表6.3几种陶瓷在单畴化处理后电容率的老化 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。 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。 畴壁运动对电容率的贡献 在弱的交变电场作用下,畴壁将在其平衡位置附近振动,显然这是对电容率的一种贡献。而且不难想象,当交变场的频率很高时,畴壁将因惯性不能跟随电场的运动,于是这一部分贡献消失。 图6.16 图6.16时除了多晶钛酸钡室温电容率的频率特性。在109Hz和1011Hz附近实部显著下降并在稍高的频率出现虚部的峰值。1011Hz附近的色散在单畴单晶上也观察到了,因此它与电畴无关。109Hz附近的色散则是单畴晶体上没有的,被认为是畴壁振动的结果。频率较低时,畴壁振动对电容率由一个恒定的贡献。频率超过109Hz时,畴壁不再能跟随电场的振动,该频率是畴壁运动的弛豫频率。 关于畴壁运动与电容率及其他参量的关系已有许多研究。在频率很低时,畴壁运动受限于弹性恢复力,后者正比于前者对其平衡位置的偏离。对于在单晶内运动的90?畴壁,恢复力也来源于畴壁运动造成的长程内电场。由于90?畴壁的集体运动,晶粒发生弹性形变,因而出现内应力,他对畴壁运动产生恢复力。同时畴壁运动改变了晶粒间界出极化电荷的分布,造成内电电场,他对畴壁运动产生电恢复力。 在频率很高时则还必须计入动力学效应。惯性大小决定于畴壁的有效质量。陶瓷中畴壁的有效质量正比于晶粒的质量,因为集体位移造成的弹性形变是整个晶粒都参与了运动。摩擦阻力正比于畴壁的速度。阻力的来源之一是格波在运动着的畴壁上的反射,由于实际样品中电畴结构十分复杂,较早的理论计算与实验结果比较都未能达到定量的符合。 最近,Pertsev等的工作有新的进展,他们计算了PZT陶瓷中畴壁振动对电容率的贡献,与实际观测到的接近1GHz时的介电色散符合得很好。 他们假设晶粒中有足够的可移动载流子以屏蔽自发极化,因此不需要出现180?畴来消除退极化场,只形成90?畴以降低应变能。 在交变电场作用下,畴壁因受到与时间有关的力fA(t)而偏离平衡位置。畴壁运动而产生一内电场,并改变了本来就存在的内应力场。这两种内场对畴壁将施加以附加的力fI。设畴壁的位移为Δl(t),则运动方程为: 式中m时单位面积畴壁的质量, 是内场作用力的平均值。假设外电场是均匀的,故 不需平均。为求出 的具体表达式必须计算晶粒内的电场。在畴壁可振动的频率以下,对内电场可用准静态近似,即认为晶粒内任何一点内电场E(r,t)正比于畴壁位移Δl(t)。 与此相反,内应力场的计算则是一个动力学问题,因为弹性波的滞后效应随着畴壁振动频率的升高而显著增强。利用弹性动力学理论计算内应力场的分布以后,对晶粒中所有畴壁面积求平均,既可得出 中的弹性力分量。同样,求E(r,t)的平均得出 中的电场力分量。将有关结果代入式(6.49),发现畴壁运动特性随着频率范围不同而差别很大。 令?*=Ct/g,这里Ct时横声波的

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