《固體光學(xué)晶體光學(xué)》PPT課件

晶體性質(zhì)的測量與研究方法 一 . 光 學(xué) 性 質(zhì) 測 量 1. 折 射 率 2. 光 學(xué) 透 過 性 3. 電 光 性 能 4. 光 折 變 性 質(zhì) 、 5.介 電 參 數(shù) 的 測 量二 . 鐵 電 性 質(zhì) 電 滯 回 線 測 量三 . 介 電 性 質(zhì)四 . 壓 電 性 質(zhì) 測 量 1. 準(zhǔn) 靜 態(tài) 法 2. 光 學(xué) 相 干 法 3. 諧 振 反 諧 振 法五 . 熱 釋 電 性 質(zhì)晶體性質(zhì)的測量與研究方法 折 射 率 (最 小 偏 向 角 法 )光 學(xué) 性 質(zhì) 測 量此 方 法 采 用 的 設(shè) 備 為 分 光 計 。 如 右圖 所 示 ， AB和 AC是 透 光 的 光 學(xué) 表面 ， 又 稱 折 射 面 。 三 棱 鏡 的 頂 角 a可 采 用 反 射 法 測 量 。 一 束 平 行 光 入射 于 三 棱 鏡 ， 經(jīng) 過 AB面 和 AC面 反射 的 光 線 分 別 沿 T3和 T4方 位 射 出 ，T 3和 T4方 向 的 夾 角 記 為 q。 由 幾 何學(xué) 關(guān) 系 可 知 ， a q /2 (T4- T3)/2。 折 射 率 (最 小 偏 向 角 法 )光 學(xué) 性 質(zhì) 測 量一 束 單 色 平 行 光 入 射 到 棱 鏡 上 ， 經(jīng)兩 次 折 射 后 射 出 ， 入 射 光 與 出 射 光間 的 夾 角 d稱 為 偏 向 角 。 轉(zhuǎn) 動 三 棱 鏡 ，固 定 入 射 光 ， 則 偏 向 角 d發(fā) 生 變 化 。沿 偏 向 角 減 小 的 方 向 繼 續(xù) 轉(zhuǎn) 動 三 棱鏡 ， 使 偏 向 角 逐 漸 減 小 。 當(dāng) 轉(zhuǎn) 到 某個 位 置 時 ， 若 再 繼 續(xù) 沿 此 方 向 轉(zhuǎn) 動 ，偏 向 角 又 將 逐 漸 增 大 ， 此 位 置 對 應(yīng)的 偏 向 角 便 是 最 小 偏 向 角 d min。 棱 鏡 材 料 的 折 射 率 n與 頂 角 a及 最 小 偏 向 角 dmin的 關(guān) 系 式折 射 率 (最 小 偏 向 角 法 )光 學(xué) 性 質(zhì) 測 量 2sin2sin minmin ddan 對 于 單 軸 晶 體 ， 切 割 棱 鏡 時 使 厚 度 沿 著 光 軸 方 向 。 兩 個 不同 主 折 射 率 的 測 量 ， 可 通 過 入 射 光 的 偏 振 方 向 來 實 現(xiàn) 。 入 射光 的 偏 振 方 向 與 光 軸 方 向 平 行 ， 則 測 得 的 折 射 率 為 非 尋 常 光的 折 射 率 ne； 入 射 光 的 偏 振 方 向 與 光 軸 方 向 垂 直 ， 則 測 得 的折 射 率 為 尋 常 光 的 折 射 率 n o。 橢 圓 偏 振 儀 根 據(jù) 偏 振 光 束 在 介 面 表 面 反 射 時 出 現(xiàn) 的 偏 振 態(tài)變 化 來 研 究 材 料 光 學(xué) 性 質(zhì) 。 橢 偏 儀 對 樣 品 要 求 不 高 ， 測 量 薄膜 和 塊 材 樣 品 的 折 射 率 n， 消 光 系 數(shù) （ extinction coefficient） k、厚 度 d（ 主 要 指 薄 膜 樣 品 ） 等 有 關(guān) 參 數(shù) ， 具 有 較 靈 敏 、 精 度 較高 、 使 用 方 便 等 優(yōu) 點 ， 而 且 是 非 破 壞 性 測 量 。 橢 偏 法 測 量 的 基 本 思 路 是 ： 起 偏 器 產(chǎn) 生 的 線 偏 振 光 經(jīng) 取 向一 定 的 1/4波 片 后 成 為 橢 圓 偏 振 光 ， 把 它 投 射 到 待 測 樣 品 表 面時 ， 只 要 起 偏 器 取 適 當(dāng) 的 透 光 方 向 ， 被 樣 品 表 面 反 射 出 來 的將 是 線 偏 振 光 。 根 據(jù) 偏 振 光 在 反 射 前 后 的 振 幅 和 相 位 變 化 ，便 可 以 確 定 樣 品 表 面 的 光 學(xué) 特 性 。折 射 率 (橢 圓 偏 振 儀 )光 學(xué) 性 質(zhì) 測 量 橢 偏 儀 組 成 部 分 ： (1)光 源 。 大 多 選用 Xe或 Hg-Xe燈 ， 其 強(qiáng) 度 從 紫 外 (190 nm)到 近 紅 外 近 似 為 常 數(shù) ； (2)偏振 器 。 能 將 任 何 偏 振 態(tài) 的 光 變 成 線偏 振 光 。 目 前 常 用 格 蘭 泰 勒 （ 方解 石 ） 偏 振 器 ； (3)1/4波 片 。 可 將 線偏 振 光 變 為 橢 圓 偏 振 光 ； (4)光 束 調(diào)制 器 。 為 方 便 探 測 ， 用 于 光 強(qiáng) 調(diào) 制 ；(5)探 測 器 。 主 要 有 光 電 倍 增 管 、 硅光 電 池 和 InGaAs等 。折 射 率 (橢 圓 偏 振 儀 )光 學(xué) 性 質(zhì) 測 量 法 國 Jobin-Yvon公 司 生 產(chǎn) 的UVISEL/460型 光 譜 橢 偏 儀 折 射 率 (棱 鏡 耦 合 器 )光 學(xué) 性 質(zhì) 測 量棱 鏡 耦 合 器 是 基 于 全 反 射 原 理 進(jìn) 行 工 作 的 。 如 圖 所 示 ， 把 樣 品 的一 個 拋 光 面 緊 貼 在 棱 鏡 面 上 。 入 射 光 進(jìn) 入 樣 品 時 ， 以 不 同 的 入 射角 q連 續(xù) 掃 描 ， 測 量 反 射 光 線 的 強(qiáng) 度 。 當(dāng) 到 達(dá) 全 反 射 角 qc時 ， 入 射光 線 在 全 反 射 和 折 射 間 發(fā) 生 轉(zhuǎn) 化 ， 此 時 ， 反 射 光 線 的 強(qiáng) 度 發(fā) 生 劇烈 變 化 。 棱 鏡 的 折 射 率 np已 知 ， 只 要 測 量 出 qc的 值 ， 根 據(jù) n = npsin qc， 就 可 以 很 容 易 地 得 到 待 測 樣 品 的 折 射 率 n的 結(jié) 果 。 折 射 率 (棱 鏡 耦 合 器 )光 學(xué) 性 質(zhì) 測 量棱 鏡 耦 合 器 可 以 提 供 TE（ S偏 振 光 ， 電 場 振 動 方 向 垂 直 于 入 射 平面 ） 和 TM（ P偏 振 光 ， 磁 場 振 動 方 向 垂 直 于 入 射 平 面 ， 電 場 振 動方 向 平 行 于 入 射 平 面 ） 兩 種 測 量 模 式 ， 很 容 易 表 征 光 學(xué) 性 能 的 各向 異 性 ， 即 可 以 測 量 樣 品 的 雙 折 射 。 美 國 的 Metricon公 司 生 產(chǎn) 的 2010型 棱 鏡 耦 合 器 折 射 率 (測 量 方 法 比 較 )光 學(xué) 性 質(zhì) 測 量最 小 偏 向 角 法 優(yōu) 點 ： 可 測 量 晶 體 雙 折 射 （ 即 no和 ne） ， 測 量 設(shè) 備 簡 單 ； 缺 點 ： 棱 鏡 樣 品 加 工 麻 煩 。橢 圓 偏 振 儀 優(yōu) 點 ： 波 長 可 從 紫 外 到 近 紅 外 連 續(xù) 變 化 ， 測 量 速 度 快 ； 缺 點 ： 只 能 測 量 單 一 折 射 率 ， 適 用 于 各 向 同 性 材 料 。棱 鏡 耦 合 器 優(yōu) 點 ： 可 測 量 晶 體 雙 折 射 ， 測 量 速 度 快 ； 缺 點 ： 光 源 只 能 采 用 激 光 ， 波 長 有 限 。 Sellmeier方 程 222 iiiii DCBAnM. DiDomenico et al, J. Appl. Phys. 40(1) (1969) 720折 射 率 (研 究 方 法 )光 學(xué) 性 質(zhì) 測 量此 方 程 中 的 Ai、 Bi、 Ci、 Di沒 有 物 理 意 義 。單 項 Sellmeier 關(guān) 系 220 0220 2002 11 EE EESn d S0為 平 均 振 子 強(qiáng) 度 ， 0為 平 均 振 子 位 置 ， Ed為 色 散 能 量 ， E0為單 個 陣 子 能 量 。 Wemple和 Didomenico研 究 了 大 量 氧 八 面 體 結(jié) 構(gòu) 的 鐵 電 體 ，定 義 出 折 射 率 色 散 參 量 E0/S0， 發(fā) 現(xiàn) 具 有 氧 八 面 體 的 鐵 電 體 折 射率 色 散 參 量 值 很 相 近 ， 即 E 0/S0 =6 0.5 10-14eVm2。 光 學(xué) 性 質(zhì) 測 量紫 外 /可 見 /近 紅 外 分 光 光 度 計 (UV-Visible-NIR Spectrophotometer)光 學(xué) 透 過 性 (測 量 設(shè) 備 )如 日 本 JASCO公 司 生 產(chǎn) 的 V-570型 光 度 計 ， 測 量 波 長 范 圍為 190 2500nm如 美 國 熱 電 （ Thermo Electron） 公 司 的 Nexus 870型 紅 外 光譜 儀 ， 測 量 范 圍 為 2.5 25 m。 傅 立 葉 變 換 紅 外 光 譜 儀 (FT-IR spectrophotometer) 光 學(xué) 性 質(zhì) 測 量光 學(xué) 透 過 性 (禁 帶 寬 度 )吸 收 系 數(shù)吸 收 系 數(shù) 與 晶 體 禁 帶 寬 度 的 關(guān) 系 為TRt 1ln1a t為 晶 體 厚 度 ， T為 透 射 率 ， R為 反 射 率雙 面 拋 光 的 晶 體 的 反 射 率 為 R=(n-1)2/(n2+1) ngEhhA )( a式 中 A是 常 數(shù) ， Eg表 示 允 許 躍 遷 的 光 學(xué) 帶 隙 。 n由 吸 收 過 程 中 電子 躍 遷 方 式 決 定 。 本 征 躍 遷 有 直 接 躍 遷 和 間 接 躍 遷 兩 種 方 式 ，當(dāng) n = 1/2時 ， 表 示 直 接 躍 遷 ， n = 2時 ， 表 示 間 接 躍 遷 。J. Tauc, Optical Properties of Solids, New York: Academic Press, 1966A. El-Korashy et al, Physica B 304 (2001) 437 312)/1( k klkl En 起 偏 器 信 號 發(fā) 生 器樣 品 示 波 器1/4波 晶片 透 鏡 檢 偏 器 激 光 功 率計45 45 a激 光 器 計 算 機(jī)透 鏡在 外 加 電 場 的 作 用 下 ， 晶 體 折 射 率 發(fā) 生 變 化 的 現(xiàn) 象 稱 為 電光 效 應(yīng) 。 對 于 單 軸 晶 體 ， 則 有光 學(xué) 性 質(zhì) 測 量有 效 電 光 系 數(shù) (單 軸 晶 體 ) l = 1, 2, 3, 4, 5, 6 動 態(tài) (交 流 電 壓 )法 測 量 要 比 靜 態(tài) (直 流 電 壓 )法 精 確 ， 因 此 測 量 時 選擇 了 一 個 交 流 電 壓 V=Vmsinwmt， 它 在 晶 體 中 產(chǎn) 生 的 相 位 延 遲 為 光 學(xué) 性 質(zhì) 測 量有 效 電 光 系 數(shù) (單 軸 晶 體 ) tE mm wsin)( 整 個 測 試 系 統(tǒng) 的 相 位 延 遲 為 2)0()( E(0)表 示 單 晶 的 自 然 雙 折 射 引 起 的 相 位 差 ， 實 際 測 量 時 ， 可 調(diào) 節(jié) 檢偏 器 方 向 角 使 2 = (0) 。 則 整 個 測 試 系 統(tǒng) 光 路 透 過 率 可 表 示 為 2sin2sin 20200 ETTIIT系 統(tǒng) 中 輸 出 光 強(qiáng) 變 化 由 樣 品 電 光 效 應(yīng) 所 引 起 的 相 位 差 (E)決 定 。 (1)(2)(3) 0 90 180 270 360I =(I max- I min)/2 I mI maxI I minOutput light i ntensity I Phase retardation (degree) 圖 中 給 出 了 輸 出 光 強(qiáng) 隨 相 位 延 遲 的 變 化 關(guān) 系 光 學(xué) 性 質(zhì) 測 量有 效 電 光 系 數(shù) (單 軸 晶 體 )測 試 時 要 把 工 作 點 定 在 最大 線 性 工 作 點 處 ， 也 就 是相 位 延 遲 為 p/2的 地 方 。 測試 光 路 中 的 1/4波 片 ， 可 以起 到 這 個 作 用 。 利 用 貝 塞爾 函 數(shù) 處 理 (3)式 ， 可 知 mm III w (4) 在 實 際 測 量 時 ， 光 信 號 轉(zhuǎn) 化 成 電 信 號 ， 測 量 相 應(yīng) 的 電 壓 值 表 示出 它 的 強(qiáng) 弱 。 如 果 用 S0表 示 光 電 探 測 系 統(tǒng) 的 轉(zhuǎn) 化 系 數(shù) ， 則 有 光 學(xué) 性 質(zhì) 測 量有 效 電 光 系 數(shù) (單 軸 晶 體 )mm ISv 0 )( minmax0 IISv pp 和由 式 (4)(5)可 知 電 光 效 應(yīng) 引 起 的 相 位 延 遲 為 pp mm vv 2對 于 單 軸 晶 體 ， 根 據(jù) 電 場 下 折 射 率 橢 球 變 化 情 況 ， 可 得 知 由 電光 效 應(yīng) 引 起 的 相 位 延 遲 為 cece dLVnEnLnL ppp 332122L為 光 波 經(jīng) 過 晶 體 的 長 度 ， E為 電 場 強(qiáng) 度 ， c為 有 效 電 光 系 數(shù) ， ， d為 介 質(zhì) 電 極 間 的 厚 度 。 (5)(6)(7)13333 )/( eoc nn 光 學(xué) 性 質(zhì) 測 量有 效 電 光 系 數(shù) (單 軸 晶 體 )可 以 得 到 所 測 樣 品 有 效 電 光 系 數(shù) mmec VLnd 3p由 式 (6)和 (8)可 得 (8) pp mmec vvVLnd 213p (9)M. Aillerie et al, Appl. Phys. B 70 (2000) 317 光 學(xué) 性 質(zhì) 測 量有 效 電 光 系 數(shù) (各 向 同 性 晶 體 )在 各 向 同 性 晶 體 有 效 電 光 系 數(shù) 的 測 量 中 ， 檢 偏 器 的 通 光 方向 與 起 偏 器 相 互 垂 直 ， 其 它 元 件 配 置 不 變 。起 偏 器 信 號 發(fā) 生 器樣 品 示 波 器1/4波 晶片 透 鏡 檢 偏 器 激 光 功 率計45 45激 光 器 計 算 機(jī)透 鏡 光 學(xué) 性 質(zhì) 測 量有 效 電 光 系 數(shù) (各 向 同 性 晶 體 )對 于 各 向 同 性 的 晶 體 ， 電 場 下 晶 體 折 射 率 橢 球 變 化 為nmm mijmnij EEgn 3 1,2)/1( i, j = 1, 2, 3各 向 同 性 晶 體 的 有 效 電 光 系 數(shù) 測 量 方 法 與 單 軸 晶 體 相 同 ， 只 是電 光 系 數(shù) 的 表 達(dá) 式 變 為 pp mmmm vvVLndVLndgg 2123 223 21211 pp 二 波 耦 合 光 路當(dāng) IRIS時 ， 增 益 系 數(shù) （ 無 泵 浦 光 ）（ 有 泵 浦 光 ）22ln1 IIL He-Ne激 光 器 分 束 器 +C軸反 射 鏡 反 射 鏡晶 體I S I R2q快 門 可 調(diào) 衰 減 器 功 率 計光 學(xué) 性 質(zhì) 測 量光 折 變 性 質(zhì) (測 試 光 路 )假 設(shè) 光 柵 已 經(jīng) 建 立 ， 以 再 現(xiàn) 光讀 出 光 柵 ， 則 衍 射 效 率 定 義 為)0(/)( rs ILIIr(L)和 Is(0)分 別 是 衍 射 光 和 讀 出 光 的 強(qiáng) 度 當(dāng) 等 光 強(qiáng) 的 R光 和 S光 在 晶 體 中 寫 入 光 柵 后 ， 關(guān) 掉 其 中 一束 ， 寫 入 的 光 柵 便 會 被 擦 除 。 在 擦 除 過 程 中 ， 擦 除 光 與 它 的衍 射 光 在 晶 體 內(nèi) 發(fā) 生 干 涉 ， 從 而 寫 入 新 光 柵 ， 新 舊 光 柵 之 間的 相 互 作 用 將 影 響 擦 除 速 率 。 判 斷 光 激 載 流 子 類 型 的 方 法 為 ， 在 上 面 的 光 路 中 ， 如 果 R光 比 S光 擦 除 得 慢 ， 則 說 明 能 量 由 R光 轉(zhuǎn) 移 到 S光 ， 能 量 轉(zhuǎn) 移 方向 與 晶 體 光 軸 方 向 相 同 ， 這 時 光 激 載 流 子 以 空 穴 為 主 ； 如 果 S光 比 R光 擦 除 得 慢 ， 則 說 明 能 量 由 S光 轉(zhuǎn) 移 到 R光 ， 能 量 轉(zhuǎn) 移 方向 與 晶 體 光 軸 方 向 相 反 ， 這 時 光 激 載 流 子 以 電 子 為 主 。 光 學(xué) 性 質(zhì) 測 量光 折 變 性 質(zhì) (光 激 載 流 子 )D.L Staebler et al, J. Appl. Phys. 43(3) (1972) 1042 寫 入 光 柵 的 過 程 中 ， 衍射 再 現(xiàn) 的 信 號 光 強(qiáng) 按 照公 式 A(1-exp(-t/tr)進(jìn) 行擬 合 ； 擦 除 過 程 中 ， 則按 照 公 式 Bexp(-t/te)進(jìn)行 擬 合 ， 這 里 的 A和 B為 常 量 ， tr和 te分 別 是光 柵 寫 入 和 擦 除 時 間 。 光 學(xué) 性 質(zhì) 測 量光 折 變 性 質(zhì) (響 應(yīng) 時 間 ) 0 5 10 15 20 250.00.30.60.9 1.2 Diffraction intensity (a.u.) Time (second)某 晶 體 折 射 率 光 柵 寫 入 和 擦 除 過 程 中衍 射 光 強(qiáng) 度 隨 時 間 變 化 關(guān) 系 C. Yang et al, Appl. Phys. Lett. 74(10) (1999) 1385 =Asinq/1B2sin2q(cos2qi/cosqi) 2 32 08( ) Beff nkTA k e qp d dq 0 0 sin4 4 eff peakBNk eB k T qp p 00 0 0 0 01 phd d Re Ihc t at 晶 體 的 增 益 系 數(shù) 與 晶 體 外 光 束 夾 角 2q的 關(guān) 系光 柵 形 成 速 率 1/t與 總 光 強(qiáng) I0的 關(guān) 系光 學(xué) 性 質(zhì) 測 量光 折 變 性 質(zhì) (常 用 公 式 )cos2qi/cosqi值 變 化 較 小 ， 通 常 小 于 8%， 進(jìn) 行 理 論 擬 合 時 可 以 忽 略 此 項 。為 簡 化 數(shù) 據(jù) 分 析 ， 通 常 假 定 電 子 和 空 穴 的 競 爭 因 子 (K)與 波 矢 K無 關(guān) 。 25 介 電 常 數(shù) 的 測 量 在 電 場 作 用 下 ， 電 位 移 矢 量 D隨 電 場 強(qiáng) 度 E的 變 化關(guān) 系 為 Di=0ijEj， 式 中 ij稱 為 介 電 常 數(shù) 。 影 響 介 電 常數(shù) 的 因 素 很 多 ， 如 外 電 場 的 頻 率 、 電 場 強(qiáng) 度 、 溫 度等 。 在 人 們 研 究 介 電 材 料 的 介 電 性 與 上 述 各 影 響 因素 關(guān) 系 的 同 時 ， 發(fā) 展 了 很 多 種 測 量 介 電 常 數(shù) 的 方 法 ，下 圖 給 出 了 適 用 于 不 同 頻 率 范 圍 的 測 量 方 法 。介 電 常 數(shù) 的 測 量 及 其 頻 率 范 圍 26 對 介 電 常 數(shù) 的 測 量 ， 一 般 通 過 測 量 電 介 質(zhì) 的 電 容量 來 實 現(xiàn) 。 對 于 足 夠 大 的 平 行 平 板 電 介 質(zhì) 電 容 器 ，其 電 容 可 表 示 為 ：式 中 0是 真 空 介 電 常 數(shù) ， 是 垂 直 于 極 板 方 向 上 的 相對 介 電 常 數(shù) ； A為 電 極 面 積 ； d為 電 極 板 間 距 ， 即 電介 質(zhì) 的 厚 度 。在 測 量 C時 ， 由 于 測 量 引 線 相 夾 具 存 在 一 恒 電 容 Co并 與 C相 并 聯(lián) ， 因 此 實 際 測 得 的 電 容 量 C 測 應(yīng) 為 ： 27 頻 率 較 低 時 ， 測 量 電 容 的 工 作 可 由 電 橋 來 完 成 。 利用 不 同 結(jié) 構(gòu) 的 電 橋 ， 可 以 覆 蓋 從 0.01Hz至 150MHz的 頻 率 范 圍 。 上 式 的 適 用 頻 率 為 1kHz。當(dāng) 頻 率 高 于 10MHz時 ， 用 電 橋 法 測 量 介 電 常 數(shù) 的 精度 較 低 ， 這 是 因 為 高 頻 會 使 雜 散 電 容 增 加 ， 因 此 在10MHz至 100MHz的 范 圍 ， 通 常 使 用 諧 振 法 。 28 諧 振 法 測 量 電 容 量 的 原 理 如 圖 所 示 ， 由 標(biāo) 準(zhǔn) 電 感Ls和 待 測 晶 體 電 容 C測 組 成 振 蕩 回 路 與 高 頻 傳 號 發(fā)生 器 相 耦 合 ， 調(diào) 節(jié) 頻 率 使 LC回 路 諧 振 ， 電 壓 表 指示 值 為 最 大 ， 被 測 電 容 為 : 29 晶 體 電 光 效 應(yīng) 的 研 究介 紹 與 一 次 電 光 效 應(yīng) 有 關(guān) 的 電 光 系 數(shù) 、 半 波 電 壓和 消 光 比 的 測 試 方 法 。加 電 場 以 后 ， 折 射 率 橢 球 變 為 30 KDP類 晶 體 的 電 光 系 數(shù) 與 半 波 電 壓 的 關(guān) 系 63的縱 向 效 應(yīng) 引 起 的 位 相 差 為 ： 補(bǔ) 償 掉 溫 度 的 影 響 31 如 果 晶 體 處 于 自 由 狀 態(tài) ， 由 于 反 壓 電 效 應(yīng) 和 電 致 伸縮 效 應(yīng) ， 外 電 場 會 引 起 晶 體 的 應(yīng) 變 ， 所 以 ， 在 這 種情 況 下 測 得 的 電 光 系 數(shù) 已 經(jīng) 包 括 了 彈 光 效 應(yīng) 的 影 響 ，稱 為 自 由 電 光 系 數(shù) (Tijk)， 它 與 真 電 光 系 數(shù) Sijk， (即應(yīng) 變 等 于 零 時 的 電 光 系 數(shù) )的 關(guān) 系 為 : 消 光 比 是 退 偏 度 (當(dāng) 線 偏 振 光 退 化 為 橢 圓 偏 振 光 時 其長 、 短 軸 之 比 稱 為 退 偏 度 )的 倒 數(shù) ， 它 反 映 了 晶 體 的光 學(xué) 質(zhì) 量 。 消 光 比 定 義 為 正 交 偏 振 干 涉 中 晶 體 的 最大 透 過 光 強(qiáng) 與 最 小 透 過 光 強(qiáng) 32實 際 測 量 時 ， 可 不 斷 地 改 變 外 加 電 壓 ， 記 錄 光 強(qiáng) 相 應(yīng)的 變 化 ， 作 出 IV曲 線 。 曲 線 的 峰 值 處 所 對 應(yīng) 的 電 壓即 為 半 波 電 壓 Vn. 一 . 光 學(xué) 性 質(zhì) 測 量 1. 折 射 率 2. 光 學(xué) 透 過 性 3. 電 光 性 能 4. 光 折 變 性 質(zhì) 、 5.介 電 參 數(shù) 的 測 量二 . 鐵 電 性 質(zhì) 電 滯 回 線 測 量三 . 介 電 性 質(zhì)四 . 壓 電 性 質(zhì) 測 量 1. 準(zhǔn) 靜 態(tài) 法 2. 光 學(xué) 相 干 法 3. 諧 振 反 諧 振 法五 . 熱 釋 電 性 質(zhì)鐵 電 性 質(zhì) 鐵 電 性 質(zhì)電 滯 回 線 (基 本 概 念 )在 較 強(qiáng) 的 交 變 電 場 作 用 下 ， 鐵 電 體 的 極 化 強(qiáng) 度 P隨 外 電 場 E呈 非 線性 變 化 ， 在 一 定 溫 度 范 圍 內(nèi) 呈 現(xiàn) 滯 后 現(xiàn) 象 。 如 圖 所 示 ， 這 個 P-E回線 稱 為 電 滯 回 線 。 線 段 OA代 表 的 電 場 可 使 極 化 等 于零 ， 稱 為 矯 頑 場 Ec (coercive field)。線 段 OB代 表 的 極 化 稱 為 剩 余 極 化P r (remanent polarization) 。 在 圖 中FD線 段 處 ， 極 化 與 電 場 成 正 比 ，將 FD反 向 延 長 ， 交 極 化 軸 于 C，OC代 表 的 極 化 稱 為 自 發(fā) 極 化 Pr (spontaneous polarization) 。 鐵 電 性 質(zhì)電 滯 回 線 (測 量 方 法 )圖 中 為 改 進(jìn) 的 Sawyer-Tower電 路 。 其 中 標(biāo) 準(zhǔn) 電 容 C0遠(yuǎn) 大 于 試 樣電 容 Cx。 晶 體 樣 品 電 容 Cx一 般 小 于 5nF， C0可 選 為 10F。 壓 敏電 阻 和 穩(wěn) 壓 電 阻 可 防 止 發(fā) 生 高 壓 擊 穿 現(xiàn) 象 。 經(jīng) 過 TL061后 的 輸出 電 壓 為 C0兩 端 電 壓 的 R1/R2倍 ， 通 過 R1可 調(diào) 節(jié) 電 壓 放 大 倍 數(shù) 。 鐵 電 性 質(zhì)電 滯 回 線 (測 量 方 法 )由 于 標(biāo) 準(zhǔn) 電 容 C0和 試 樣 Cx串 聯(lián) ， 二 者 瞬 時 電 荷 在 任 何 時 間 總 相等 。 假 設(shè) 標(biāo) 準(zhǔn) 電 容 器 C0兩 端 的 電 壓 為 V1(t)， 瞬 時 電 荷 為 Q(t)；試 樣 的 電 極 面 積 為 A， 瞬 時 電 位 移 為 D(t)， 瞬 時 電 極 化 強(qiáng) 度 為P(t)， 則 有 0001 )()()()( C tAPC tADCtQtV 試 樣 上 的 瞬 時 電 極 化 強(qiáng) 度 P(t)可 表 示 為 ACtVtP 01 )()( 測 試 過 程 中 ， 只 要 測 得 電 壓 V1(t)， 便 可 得 知 P(t)。 鐵 電 性 質(zhì)電 滯 回 線 (測 量 方 法 )測 試 系 統(tǒng) 中 所 需 外 部 設(shè) 備 ：(1) 超 低 頻 信 號 發(fā) 生 器 。 可 產(chǎn) 生 0.11Hz的 三 角 波 信 號 。(2) 高 壓 放 大 儀 。 可 將 信 號 發(fā) 生 器 的 電 壓 放 大 至 數(shù) 千 伏 ， 其 放大 倍 數(shù) 根 據(jù) 測 試 材 料 的 矯 頑 場 選 擇 ， 一 般 要 求 放 大 后 的 電 壓 為-2000V+2000V。(3) 信 號 采 集 設(shè) 備 。 可 選 為 示 波 器 ， 也 可 經(jīng) AD數(shù) 據(jù) 采 集 卡 后 利用 計 算 機(jī) 采 集 。 一 . 光 學(xué) 性 質(zhì) 測 量 1. 折 射 率 2. 光 學(xué) 透 過 性 3. 電 光 性 能 4. 光 折 變 性 質(zhì)二 . 鐵 電 性 質(zhì) 電 滯 回 線 測 量三 . 介 電 性 質(zhì)四 . 壓 電 性 質(zhì) 測 量 1. 準(zhǔn) 靜 態(tài) 法 2. 光 學(xué) 相 干 法 3. 諧 振 反 諧 振 法五 . 熱 釋 電 性 質(zhì)主 要 內(nèi) 容 介 電 性 質(zhì)測 量 設(shè) 備變 溫 掃 頻 介 電 性 能 測 試 儀 。 左 上 為加 熱 爐 ， 左 下 為 溫 控 儀 ， 右 側(cè) 為MODEL TH2816型 寬 頻 LCR數(shù) 字 電橋 阻 抗 測 量 儀 (常 州 同 惠 電 子 有 限 公 司 )， 測 試 頻 率 范 圍 20Hz-150kHz。 Agilent 4285A型 阻 抗 分 析 儀 ，頻 率 范 圍 為 75kHz-30MHz， 可以 計 算 機(jī) 控 制 掃 頻 ， 常 用 于 測試 壓 電 單 晶 各 個 模 式 壓 電 振 子的 諧 振 、 反 諧 振 頻 率 。 介 電 性 質(zhì)研 究 方 法 測 量 介 電 常 數(shù) 時 ， 通 常 是 把 樣 品 做 成 一 個 平 板 電 容 器 ， 在 低 頻率 (1kHz)下 測 其 電 容 ， 可 算 出 自 由 電 容 率 T； 在 高 頻 率 (20MHz)下測 其 電 容 ， 算 出 夾 持 電 容 率 S。 40 80 120 16005000100001500020000 TmTotTro Dielectric constant Temperature( oC)某 晶 體 的 介 電 常 數(shù) 隨 溫 度 變 化 曲 線 通 過 測 量 介 電 常 數(shù) 隨 溫 度的 變 化 關(guān) 系 ， 可 以 得 知 晶 體 的相 變 特 性 。 通 常 介 電 常 數(shù) 最 大峰 對 應(yīng) 著 鐵 電 順 電 相 變 ， 較低 溫 度 的 介 電 峰 則 為 鐵 電 鐵電 相 變 。 對 于 一 階 相 變 ， 升 溫測 量 與 降 溫 測 量 的 介 電 峰 不 重合 ， 二 階 相 變 則 重 合 。 一 . 光 學(xué) 性 質(zhì) 測 量 1. 折 射 率 2. 光 學(xué) 透 過 性 3. 電 光 性 能 4. 光 折 變 性 質(zhì)二 . 鐵 電 性 質(zhì) 電 滯 回 線 測 量三 . 介 電 性 質(zhì)四 . 壓 電 性 質(zhì) 測 量 1. 準(zhǔn) 靜 態(tài) 法 2. 光 學(xué) 相 干 法 3. 諧 振 反 諧 振 法五 . 熱 釋 電 性 質(zhì)壓 電 性 質(zhì) 測 量 壓 電 性 質(zhì) 測 量準(zhǔn) 靜 態(tài) 法中 科 院 聲 學(xué) 所 生 產(chǎn) 的 ZJ-3A型 準(zhǔn) 靜 態(tài) 壓 電 常 數(shù) d 33測 試 儀該 儀 器 的 優(yōu) 點 是 可 測 出 壓 電 系 數(shù) 的 極 性 ， 由 此 可 以 判 斷 晶 體光 軸 的 正 負(fù) 方 向 。 測 量 時 可 使 光 軸 方 向 沿 著 施 力 方 向 ， 若 壓電 系 數(shù) 為 正 ， 則 晶 體 光 軸 向 上 ； 若 為 負(fù) ， 則 向 下 。 壓 電 性 質(zhì) 測 量光 學(xué) 相 干 法晶 體 上 的 反 射 鏡 每 移 動 / 2 的 距 離 就 會 產(chǎn) 生 一 個 光 干 涉 的 拍信 號 。 因 此 根 據(jù) 光 拍 信 號 的 個 數(shù) 就 可 以 計 算 出 壓 電 陶 瓷 片 伸 縮 的 距 離 。 壓 電 性 質(zhì) 測 量光 學(xué) 相 干 法 tfVtV m 02sin)( p現(xiàn) 設(shè) 壓 電 陶 瓷 片 上 加 有 正 弦 激 勵 電 壓 為動 鏡 Mirror產(chǎn) 生 振 動 ,其 位 移 為 tfAtfVdtX mm 0033 2sin2sin)( pp 式 中 d33為 壓 電 系 數(shù) ， Am為 振 動 位 移 峰 值 。對 于 光 拍 信 號 ， 動 鏡 在 位 移 最 小 處 速 度 最 大 ， 光 拍 最 密 ； 反 之 ，在 位 移 最 大 處 速 度 最 小 ， 光 拍 最 疏 。 可 見 ， 隨 著 時 間 的 變 化 ，光 拍 信 號 是 一 個 具 有 一 定 周 期 性 的 變 頻 信 號 ， 其 周 期 為 原 振 動信 號 周 期 的 1/ 2 。 壓 電 性 質(zhì) 測 量光 學(xué) 相 干 法對 應(yīng) 于 振 動 位 移 峰 谷 兩 處 ， 可 在 光 拍 信 號 的 一 個 周 期 中 讀 出光 拍 個 數(shù) N ,則 動 鏡 的 振 動 位 移 峰 值 為4/NAm 晶 體 的 壓 電 系 數(shù) d33 = Am/Vm按 照 右 圖 所 示 施 加 電 壓 ， 可 得 到 晶 體 的壓 電 系 數(shù) d 13值 ， 即 tV lAd mm13江 惠 民 ， 江 群 會 ， 中 國 陶 瓷 38(5) (2002) 34 mie mid mig mih , mi 15, 31,33彈 性 系 數(shù) Eijs Dijs Eijc Dijc , ij 11, 12, 13, 33, 55, 66介 電 常 數(shù) 和 介 電 隔 離 率 Tmn Smn Tmn Smn , mn 11, 33 壓 電 系 數(shù)四 方 相 單 晶 沿 共 有 11個 獨 立 的 材 料 參 數(shù) ， 包 括Smimi ETe )( TmiEimmi ESTDd )()( Dimmi TEg )( 壓 電 應(yīng) 力 系 數(shù) 壓 電 應(yīng) 變 系 數(shù)壓 電 電 壓 系 數(shù) 壓 電 勁 度 系 數(shù) Dimmi SEh )(彈 性 剛 度 系 數(shù) jiij STc 彈 性 順 度 系 數(shù) jiij TSs 介 電 隔 離 率 mnmn 1介 電 常 數(shù) nmmn ED上 角 標(biāo) E表 示 短 路 狀 態(tài) 上 角 標(biāo) D表 示 開 路 狀 態(tài)上 角 標(biāo) T表 示 夾 持 狀 態(tài) 上 角 標(biāo) S表 示 自 由 狀 態(tài) 壓 電 性 質(zhì) 測 量諧 振 反 諧 振 法 利 用 阻 抗 譜 的 諧 振與 反 諧 振 法 測 量 四方 相 單 晶 全 套 介 電 、壓 電 和 彈 性 參 數(shù) ，圖 中 為 所 需 的 五 種不 同 振 動 模 式 的 樣品 切 型 。參 考ANSI/IEEE STD. 176-1987, IEEE Standard on Piezoelectricity (IEEE, New York, 1987)壓 電 性 質(zhì) 測 量諧 振 反 諧 振 法 壓 電 性 質(zhì) 測 量諧 振 反 諧 振 法序號 振 動 模 式 壓 電振 子 振 子 典 型 尺 寸(mm) (l w t)# 1 橫 向 長 度伸 縮 k 31 棒 20 4 0.5# 2 厚 度 伸 縮 kt 片 5 5 0.5# 3 厚 度 切 變 k15 片 10 10 1# 4 縱 向 長 度伸 縮 k33 棒 10 1 1# 5 橫 向 長 度伸 縮 45o k31棒 20 4 0.5在 一 定 的 邊 界 條 件 下 ， 通 過 求 解 壓 電 方 程 ， 可 得 到 晶 體 壓 電 參數(shù) 與 諧 振 、 反 諧 振 頻 率 的 關(guān) 系 式 。 由 于 邊 界 條 件 的 限 制 ， 測 量時 需 要 把 材 料 制 成 若 干 個 標(biāo) 準(zhǔn) 樣 品 ， 即 壓 電 振 子 。 #2: 主 表 面 垂 直 001極 化 方 向 的 正 方 片 。 壓 電 方 程 ，#5: 三 對 晶 面 方 向 沿 110/-110/001的 長 方 片 。 壓 電 方 程 與 #1相 同 。#3: 三 對 晶 面 方 向 分 別 是 100/010/001的 長 方 片 。 壓 電 方 程 ，#4: 長 度 沿 001方 向 的 長 棒 。 壓 電 方 程 ，#1: 長 度 沿 100方 向 ， 兩 電 極 主 表 面 是 001的 長 條 片 。 壓 電 方 程 ，3311111 EdTsS E 3331313 ETdD T3333333 DhScT D 3333333 DShE S1155555 DhScT D 1115151 DShE S3333333 DgTsS D 3333333 DTgE T壓 電 性 質(zhì) 測 量諧 振 反 諧 振 法 一 . 光 學(xué) 性 質(zhì) 測 量 1. 折 射 率 2. 光 學(xué) 透 過 性 3. 電 光 性 能 4. 光 折 變 性 質(zhì)二 . 鐵 電 性 質(zhì) 電 滯 回 線 測 量三 . 介 電 性 質(zhì)四 . 壓 電 性 質(zhì) 測 量 1. 準(zhǔn) 靜 態(tài) 法 2. 光 學(xué) 相 干 法 3. 諧 振 反 諧 振 法五 . 熱 釋 電 性 質(zhì)熱 釋 電 性 質(zhì) 熱 釋 電 性 質(zhì) 由 于 溫 度 的 變 化 ， 一 些 材 料 會 出 現(xiàn) 結(jié) 構(gòu) 上 的 電 荷 中 心 相 對位 移 ， 使 自 發(fā) 極 化 強(qiáng) 度 發(fā) 生 變 化 ， 從 而 在 兩 端 產(chǎn) 生 異 號 的 束 縛電 荷 ， 這 種 現(xiàn) 象 稱 為 熱 釋 電 效 應(yīng) 。 熱 釋 電 系 數(shù) 的 定 義 為 ，Current response FOM: Voltage response FOM: Detectivity FOM: pi cpF )( 0 rpv cpF )tan( 2/10 d rpD cpF 熱 釋 電 探 測 器 的 優(yōu) 值 指 標(biāo) TPp cp為 材 料 的 體 積 比 熱 ， tand為 介 電 損 耗 ， r為 相 對 介 電 常 數(shù) ， 0為 真 空 中 介 電 常 數(shù) 。 基 本 定 義 熱 釋 電 性 質(zhì) 測 量 熱 釋 電 系 數(shù) 常 使 用 的 是 交 流 法 ， 或 稱 為 動 態(tài) 法 。 L.E. Garn和 E.W. Sharp早 在 1982年 就 詳 細(xì) 討 論 了 低 頻 正 弦 溫 度 場 下熱 釋 電 系 數(shù) 的 測 量 原 理 和 實 驗 方 法 ， 即 使 用 動 態(tài) 法 來 測 量 熱 釋電 系 數(shù) 。 主 要 參 考 文 獻(xiàn) ， 測 量 方 法L.E. G arn and E.J. Sharp, J. Appl. Phys. 53 (1982) 8974;L.E. G arn and E.J. Sharp, J. Appl. Phys. 53 (1982) 8980;陳 敏 揮 等 ， 一 種 用 于 熱 釋 電 薄 膜 材 料 的 熱 釋 電 系 數(shù) 測 量 裝 置及 方 法 ， 中 科 院 技 術(shù) 物 理 研 究 所 ， 專 利 申 請 號 02136155。