铌酸锶钡晶体铁电性能

铌酸锶钡晶体铁电性能 第35卷第1期 2007年1月 硅酸盐 JOURNAL0F1HECmNESECERAMICSOCIETY V01.35,No.1 January,2007 铌酸锶钡晶体铁电性能 乌日娜,陈春荣,魏朝阳,万玉春 (长春理工大学材料科学与工程学院,长春130022) 摘要:用偏光显微镜确定了sBal06单晶的光轴方向为z轴,并制备了 3minx5mmxO.45inln垂直于z轴的切片.在5OHz交频电场下,利用 Sawyer-Tower电路,获得了较完整的电滞回线.检测并分析了sBal_~NbzO6晶体切 片的介电温谱以及相变特性,所测得的Sr.Bal_.NbzO~晶体由铁电 相转变成顺电相的特征温度为74?,这种晶体属于弥散性铁电相变. 关键词:铌酸锶钡晶体;电滞回线;介电性能;相变特性 中图分类号:073文献标识码:A文章编号:0454-564g(2007)01.JoOs2_JD3 FERRoELECTRICCHARACTERISTICSoFSTRoNTIIJMBARJUMNIoBATECRYSTAL WURina,CHENChunrong,WEIZhaoyang,WANYuchun (CollegeofMatefi~andEngineering,ChangchunUniversityofScienceandTechnology,Ch angchun130022,China) Abstract:TheopticalaxisofferroelectricmonocrystalSrxBal_ xNb206WaSconfirmedtobeazaxisusingapolarizedlightmicroscope Az-cutsliceof5mmx3mmx0.45mmwasmade.WitIIa50Hzalternatingcurrentfield,theperf ectferroelectrichysteresisloopwag obtainedthroughaSawyer-Towercircuit.Thedependenceofthedielectricspectraonthetem peratureandphasetransitionproperty of~SrxBal_xNb206wasanalyzed.ItWasfoundthatthecharacteristictemperatureTItransfe rredfromtheferroelectricintothe paraelectficphaseis74?andthetransitionCanbecharacterizedasarelaxorphasetransition. Keywords:strontiumbariumniobatecrystal;ferroelectrichysteresisloop;dielectricpropert y;phasetransition 随着光通信产业的迅速发展,对电光材料及器 件提出了更高的要求.铁电晶体因其优异的非线性 光学性能,电光性能及其光折变特性,在激光通讯, 红外制导,信息存储,电光调制等领域有着广泛的 应用IlJ.铌酸锶钡属于四方钨青铜结构的铁电晶 体,具有比常用的铌酸锂大得多的电光系数和热释 电系数D-7].通过在晶体中掺杂其它元素,可以优化 其性能,更有利于应用. 极化强度随电场的变化(电滞回线),铁电一顺 电相变特性等是衡量铁电晶体性能的重要依据. 通过测量铌酸锶钡晶体的电滞回线,分析了介电温 谱,确定了晶体的特征温度,探讨了其相变特性. 1实验 1.1样品的制备 实验所用的铌酸锶钡(S啦lal-xNb206,.62,SBN) 收稿日期:2006-07-13.修改稿收到日期:2006-10-15. 基金项目:国家自然科学基金(5o473o4O)资助项目. 第一作者:乌日娜(1978,),女,博士,讲师. 晶体有接近理想的外形,因此,将晶体的两个端面 磨平抛光后,采用偏光显微镜进行定向.视域中心 出现黑十字,说明晶体的光轴与镜筒平行,即确定 了SBN的极化轴为z轴. 用外圆切割机,即用金刚砂轮进行直进式切割. 边切割边用水冷却,以防止晶体过热引起热应力集 中而炸裂.所切样品为端面垂直于z轴的2nlm厚 的薄片.经过研磨,抛光,加工得到【00l】方向的 3minx5minx0.45Hlm切片. 1.2电滞回线的测量 在5OHz交流电场下,根据Sawyer-Tower电路 法,用示波器观察样品的电滞回线,即极化强度 随外加电场的变化. 1.3介电温谱的测量与分析 采用电桥法测定样品的电容.电桥法具有快捷, 准确的特点.实验装置如图1所示.连接好电路后, Ree~iveddate:2006-07-13.Approveddate:2006-10-15 Firstauthor:WURina(1978一),female,doctor,lecturer. E-mtil:bdqwm~163.gom 第35卷第1期乌日娜等:铌酸锶钡晶体铁电性能:: 图1测量电容随温度变化的实验装置 Fig.1Experimentalset-upformeasuringthecapacitance dependenceofthetemperature 打开水浴电源,配合接触温度计,进行加热,缓慢 升温.由于样品较小且薄,可在每个温度点保温3 rain,以保证样品内外温度均匀. 2结果与讨论 SBN晶体[001]切片的电滞回线如图2所示.SBN 晶体相邻电畴的取向为180.,根据单晶体180.畴 壁二维模型【l0】,当电场由负向最大减弱至0,再沿 正向增大到最大,负畴转向电场方向,负畴逐渐转 向正畴,极化强度P沿正方向增加,直到正值最大 饱和为止,此时整个晶体变成具有正方向极化的单 畴晶体;反之,当电场由正向最大减弱至0再沿反 向增大到最大,正畴转向电场方向,正畴又逐渐转 向负畴,自发极化强度P沿负方向增加.在这个过 程中极化强度P沿着回线,直到负值最大饱和为止. 图2中,电滞回线的中部对称性较好,而两端部分 有所畸变,分析认为是由样品在高压下的漏电阻以 lE O Appliedfield/(V?mln一1) 图2电滞回线 Fig.2Ferroelectrichysteresisloop 及示波器输入电阻和电容的影响所致.电滞回线消 失的温度为74?,初步确定Curie温度为74?. 测得SBN晶体[001]t:J]Fg~电容随温度变化曲 线如图3所示. 2O3O4O5O6O7O8O90100 Temperature/'C 图3电容随温度变化曲线 Fig.3Capacitancedependenceoftemperature 将所测得的电容值代入下式,即可得到样品的 相对介电常数 :旦f1):——I1) 其中:C为电容;6o为真空介电常数(So=8.85x10 F/m);t和分别为SBN晶体[001]切片的厚度和横 截面积(t---0.45IBA'n,A=15mm2).E随温度变化曲线 如图4所示. Temperature/~C 图4相对介电常数s随温度的变化曲线 Fig.4Relativedielectricconstantsdependenceoftemperature 由图4可以看出:相对介电常数随着温度的升 高而缓慢增大,从60?附近开始明显增加,74? 时达到峰值,之后开始减小.介电常数随温度变化 不显示尖锐的峰,而是相当宽的平缓的峰.因此可 以确定SBN晶体从铁电相到顺电相的相变是一个 渐变过程,属于弥散性铁电相变.介电常数最大值 对应的温度称为特征温度且rm=74?. 咖咖枷枷姗鲫枷枷o d/Qo量一.BdBu_—?_?LIooo一.Il.QIa【DQ一墨 ?54?硅酸盐2007正 在附近,!-~AT的关系曲线如图5所示 (?).由图5可以看出—?不满足Cuffe. Weiss定律. 1T一 一 =————_-—-一 ,B 其中:B为Curie-Weiss常数. 关系,即: 一 1 oC(一)一oClI—l (2) — ?呈现了抛物线 (3) 其中:为介电弥散性指数,反映铁电相变的弥散 性程度,1?2【ll】.从而进一步证实了SBN晶体 在Curie温度附近的相变为弥散性铁电相变. 26 24 22 n 导20 -一I? l8 l4 Temperaturedifferent/? 图5—?曲线 1 FIg?cu?.一? 3结论 在50Hz交流电场下,测得样品具有较完整的 电滞回线,证实了SBN晶体具有铁电性.根据介电 常数随温度变化曲线,得出为74?,即在该温 度附近,SBN晶体由铁电相转变成顺电相,属于弥 散性铁电相变. 参考文献: 【l】PARKSE,SHROUTTILulmmighstrainandpiezoelectricbehavior inrelaxorbasedfcrrtmlectricSingIec~stal[f1.JApplPhys,1997, 82(4):l8O4__l8l1. 【2】钟维烈,张沛霖,赵焕绥,等.铌酸铅钡晶体及其低温相变【J】.硅 酸盐,1990,l8(6):512-517. 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