Исследование свойств сегнетоэлектриков. Методические указания по выполнению лабораторной работы

Министерство образования Российской Федерации

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ кафедра микроэлектроники

РНПО «РОСУЧПРИБОР»

Лабораторная работа

Исследование свойств сегнетоэлектриков Методические указания

Пенза 2001

УДК 621. 315.416

Медведев С.П., Печерская Р.М., Абрамов В.Б., Перескоков А.Н. Исследование свойств сегнетоэлектриков. Указания подготовлены на кафедре микроэлектроники и предназначены для студентов специальностей 200200, 200100, 220500, 230300, 190700 при изучении дисциплин “Материалы электронной техники и основы микроэлектроники”, “Материалы в приборостроении”, “Радиоматериалы и радиодетали”, при выполнении УИРС, курсового и дипломного проектирования. Лабораторный стенд выполнен по заданию РНПО «РОСУЧПРИБОР».

©

Кафедра университета

микроэлектроники

Пензенского

государственного

Учеб. пособие. - Пенза: Изд-во Пенз. политехн. ин-та, 1993. – 64с. 6. Печерская Р.М. Релаксационные явления в активных диэлектриках: Монография - Пенза: изд-во ПГТУ, 1994. – 72с. 7. Лайнс М, Гласс А. Сегнетоэлектрики и родственные им материаллы. М.: Мир, 1991 – 736с.

Цель работы: изучение областей применения и электрических свойств сегнетоэлектриков, их отличий от линейных диэлектриков.

Теоретическое введение Активные диэлектрики, к числу которых относят сегнето- , пьезо- и пироэлектрики; электреты; материалы квантовой электроники; жидкие кристаллы; электро-, магнито-, акустооптические материалы и др., позволяют осуществить генерацию, усиление, модуляцию электрических и оптических сигналов, запоминание или преобразование информации. Свойствами активных диэлектриков можно управлять с помощью внешних энергетических воздействий. Строгая классификация активных диэлектриков, охватывающая многие отличительные признаки этих материалов, оказывается весьма затруднительной. К тому же резкой границы между активными и пассивными диэлектриками не существует. Один и тот же материал в различных условиях его эксплуатации может выполнять либо пассивные функции изолятора или конденсатора, либо активные функции управляющего или преобразующего элемента. В большинстве случаев активные диэлектрики классифицируются по роду физических эффектов, которые можно использовать для управления свойствами материалов. Наиболее универсальны в этом плане сегнетоэлектрики, которые сочетают в себе свойства пьезо- и пироэлектриков, электрооптических и нелинейно-оптических материалов. Они могут выступать и в качестве электретов. Вместе с тем сегнетоэлектрики обладают рядом специфических, только им присущих свойств. Важнейшим из них является нелинейное изменение поляризованности P при воздействии электрического поля E или механической деформации. Классическими представителями сегнетоэлектриков являются дигидрофосфат калия (KH2PO4), нитрат натрия (NaNO2), титанат бария (BaTiO3), триглицинсульфат ((NH2CH2COOH)3 * H2SO4), сегнетова соль (NaKC4H4O6 * 4H2O) и др. Сегнетоэлектрики обладают наряду с линейными видами поляризации (электронной и ионной), в определенном температурном интервале ниже точки Кюри Tc, спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля или механической деформации. В переменных полях у сегнетоэлектриков наблюдается явление диэлектрического гистерезиса, т.е. отставание изменения электрической индукции (смещения) D от напряженности электрического поля E. Иначе говоря, гистерезисный цикл является следствием доменного строения сегнетоэлектриков. Ориентация доменной структуры в направлении электрического поля требует затрат электрической энергии, что указывает на дополнительный механизм диэлектрических потерь. Величина потерь на гистерезис характеризуется площадью предельного гистерезисного цикла, показанного на рис. 1. Основные параметры, характеризующие предельный 3

цикл петли гистерезиса: ±Pm, ±Pr – максимальная и остаточная поляризации на обкладках конденсатора при максимальном значении напряженности электрического поля ±Em и при снятии внешнего поля E=0 соответственно; ±Ec – коэрцитивная сила, т.е. напряженность поля, при которой заряд (поляризованность P) становится равным нулю.

Рис. 1

Диэлектрическая проницаемость ε сегнетоэлектриков достигает десятков тысяч единиц. Для характеристики свойств сегнетоэлектриков в различных условиях работы используют следующие определения диэлектрической проницаемости: – статическая диэлектрическая проницаемость: D , (1) ε cт = ε0 E где D, Кл/м2, E, В/м - координаты точек основной кривой поляризации (см. пунктирную линию на рис. 1); ε0 = 8,85.10-12 Ф/м – диэлектрическая постоянная; – дифференциальная диэлектрическая проницаемость dD , (2) εд = ε 0 dE - реверсивная диэлектрическая проницаемость εp, характеризующая изменение поляризации сегнетоэлектрика в переменном электрическом поле при одновременном воздействии постоянного поля. В линейных диэлектриках перечисленные виды диэлектрических проницаемостей не зависят от напряженности электрического поля и равны между собой: ε = ε cт = ε д = ε p =

D . (3) ε0 E

Специфические свойства сегнетоэлектриков проявляются лишь в определенном диапазоне температур вплоть до точки Кюри, где эти свойства 4

3. Снять зависимости диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь от температуры. 4. Сформировать и отпечатать отчет. Отчет должен содержать: - схему измерения; - петли гистерезиса при нескольких температурах (до и после точки Кюри); - основную кривую поляризации; - зависимости диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь от температуры; - расчетные формулы; - описание отличий сегнетоэлектриков от линейных диэлектриков с указанием области применения. В отчете необходимо дать выводы по полученным результатам и сопоставить их с лекционным материалом и литературными данными. Контрольные вопросы 1. Какие диэлектрики считаются активными? 2. Виды поляризации в сегнетоэлектриках. 3. Объясните явление диэлектрического гистерезиса и влияние на него температуры. 4. Основные отличия сегнетоэлектриков от линейных диэлектриков. 5. Назовите области применения сегнетоэлектриков в соответствии с их особенностями по сравнению с линейными диэлектриками. 6. Сегнетоэлектрики I и II рода и их области применения. Литература 1. Пасынков В.В., Сорокин В. С. Материалы электронной техники. -М.: Высш. шк., 1986. – 367 с. 2. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы. -Л.: Энергоатомиздат, 1985. – 304 с. 3. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. - М.: Энергоатомиздат, 1982. – 320 с. 4. Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю.В. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева. - ТЗ - Л.: Энергоатомиздат, 1988. – 728с. 5. Печерская Р.М. Деградационные процессы в сегнетоэлектриках. 13

максимально выражены (таблица 1). В процессе нагревания при температурах выше точки Кюри происходит распад доменной структуры, и сегнетоэлектрик переходит в параэлектрическое состояние, спонтанная поляризация исчезает. Таблица 1. Области использования нелинейных свойств сегнетоэлектрических материалов

Свойства

Применение

значения диэлектрической

Малогабаритные конденсаторы с большой удельной емкостью, включая в интегральном исполнении.

Нелинейная зависимость ε (E) в сегнетоэлектрической фазе ( до Tc )

Вариконды для стабилизации напряжения, умножения частоты, преобразования синусоидального напряжения в импульсное, для гашения тока.

Большие относительной проницаемости ε ( 105 и более )

Рис 7. Окно результата

Нажав кнопку <Печать>, вы добавляете результат в окно Preview (окно предварительного просмотра). Перед тем как перейти к следующему графику, желательно сохранить изменения, нажав кнопку <Сохранить>. Окно Preview (рис 8.) содержит печатаемую страницу (на одной странице желательно помещать три графика).

Нелинейная зависимость ε (T)

Прямоугольная гистерезиса.

петля

Диэлектрические термометры, термоконденсаторы с четко выраженными и размытыми фазовыми переходами для определения физиологических параметров желудочно-кишечного тракта, для стабилизации кварцевых резонаторных электронных часов. Запоминающие устройства с потенциальным принципом записи и сохранении информации при отключении питания и многократном считывании.

Рис 8. Окно предварительного просмотра

По окончанию формирования страницы с разрешения преподавателя нажмите кнопку Печать в окне Preview. Примерный ход выполнения работы 1. Снять график зависимости заряда от приложенного напряжения. 2. Измерить несколько петель гистерезиса. 12

Коэффициент P прямоугольности: K n = r ≈ 1 Pm

Описание лабораторной установки Лабораторный стенд (рис. 2) состоит из трех частей: ЭВМ, печатающее устройство и измерительный блок со встроенным термостатом. 5

отпуская клавиши мыши в правый нижний угол участка, при отпускании клавиши мыши произойдет изменение масштаба, при отсутствии изменения проверьте состояние кнопки Авто-масштаба, она должна быть в отжатом состоянии; •для возврата к прежнему масштабу нажмите левую кнопку мыши и, не отпуская клавиши, проведите мышью в сторону левого верхнего угла. •для расстановки характерных точек поместите курсор мыши в выбранный участок кривой (при этом курсор примет вид перекрестия) и нажмите левую кнопку мыши;

Рис. 2. Состав лабораторного стенда

1. Органы управления. Органы управления на ЭВМ и печатающем устройстве определяются их модификацией и приводятся в их техническом описании. Здесь рассмотрим расположение некоторых клавиш на клавиатуре ЭВМ, важных для проведения лабораторной работы (рис. 3).

•для удаления лишней характерной точки подведите курсор мыши к удаляемой точке (при этом курсор переменится) и нажмите левую кнопку мыши; Примечание. Изменения в базу данных будут внесены при нажатии кнопки <Сохранить>. Формирование отчета Отчет можно подготовить с помощью программ Microcoft Office: Winword и Excel (см команды (Копировать в буфер), хотя применение Excel необязательно, поскольку ПО лабораторной работы предоставляет большие возможности работы с графикой. Разверните окно базы данных (рис 6.). Выберите мышью полученный вами график, нажмите кнопку показать (♠) .

Рис. 3. Расположение клавиш управления на клавиатуре ЭВМ

2. Схема измерения На лицевой панели изображена схема, по которой производится измерение. Это стандартная схема Сойера–Тауэра (рис. 4). АЦП

5

ЭВМ

R1 ~220V

АЦП 3

УГ

2

1

t

C0

R2

Rt

Cx

4

Термостат

6

Рис 6. Вид экрана с окном выбора данных

При этом откроется окно результата (рис 7.). Установите, если необходимо, масштаб и характерные точки на графике (см. Работа с графиком)

Рис. 4. Схема Сойера–Тауэра

6

11

Сохранить Происходит сохранение данных из текущего окна в базе данных.

Автомасштаб Управляет включением и выключением режима автоматической установки масштаба графика в соответствии с размахом петли поляризации текущего активного окна. Масштаб 75

На схеме: R1, R2 -делитель напряжения; Cx- сегнетоэлектрический образец; C0образцовый конденсатор большой емкости; Rt-терморезистор; УГ управляемый генератор. На пластины горизонтального отклонения луча 1 и 2 подается напряжение с сопротивления R2, пропорциональное напряжению генератора (УГ), которое измеряется с помощью АЦП. Приложенное напряжение падает в основном на испытуемом образце, так как емкость Cx >>C0. На пластины вертикального отклонения 3 и 4 подается напряжение U0 с конденсатора C0, пропорциональное его заряду и заряду на конденсаторе Cx, так как на переменном токе заряды конденсаторов, включенных последовательно, равны. 3. Расчетные формулы

Устанавливает масштаб графика текущего активного окна на 75%.

Печать Передает в буфер отчета содержимое текущего окна. Наилучший вид отчета получается при печати не более 3..4 графиков на листе A4. При этом отображается вид текущей страницы отчета.

Все сигналы с измерительной схемы подаются на ЭВМ, которая проводит необходимые расчеты при помощи следующих основных формул. q = U 0 C0 ,

(4)

где q - заряд на сегнетоэлектрическом конденсаторе; С0 - емкость образцового конденсатора; U0 - напряжение на образцовом конденсаторе. U , (5) h где E – напряженность поля в сегнетоэлектрическом конденсаторе; h – толщина образца; U – напряжение на сегнетоэлектрическом конденсаторе; E=

Буфер обмена При выборе одного из элементов данного меню происходит копирование данных из текущего окна в Буфер обмена Windows для обработки другими средствами (Winword, Excel и др.)

C(U) Происходит построение зависимости емкости от напряжения по данным основной кривой поляризации текущего активного окна.

ε ст =

Ch q mU m h = . (6) ε0S ε0S

Здесь εст – статическая диэлектрическая проницаемость; qm - максимальный заряд; Um- максимальное напряжение; S - площадь образца;

tgδ = K База данных Происходит активизация окна базы данных результата измерения

Sp qmU m

, (7)

где tg δ – тангенс угла диэлектрических потерь; Sp – площадь петли; K – масштабный коэффициент.

Управление лабораторной работой

Работа с графиком •для уменьшения масштаба графика используйте кнопку <75>; при этом масштаб графика изменяется на 75%. •для увеличения установите курсор мыши в верхний левый угол выбранного вами участка, нажмите левую клавишу мыши и ведите, не 10

Возможности Лабораторная работа позволяет:

• производить измерения; • сохранять результаты в базе данных; 7

• представлять результаты в графическом и текстовом виде; • формировать отчет и получать твердую копию. Примечание: Только при проведении измерений ваш компьютер связывается с измерительным стендом, а в остальных случаях вы работаете только с результатами измерений. Практически все управление лабораторной работой осуществляется с помощью ЭВМ и только изменение напряжения производится переменным резистором, который находится на панели управления. Управляют работой при помощи команд, которые можно вводить либо из меню, либо кнопками панели управления.

Команды Команды разбиты на группы. Измерения: Измерение Поле Температура Фиксация точки Сохранить

Перед полевыми измерениями рекомендуется установить ноль. Для этого войти в режим Настройка–Уст. нуля, вывести потенциометр измерительного блока в минимальное положение, выждать 60 сек., нажать на кнопку «ОК». Время 60 сек. требуется для перезарядки емкостей измерительной схемы. Поэтому при резких изменениях поля следует обязательно проводить выдержку примерно 30-60 сек. Для снятия основной кривой поляризации необходимо: изменяя напряженность электрического поля, фиксируйте координаты вершин частных петель с помощью кнопки <Фиксация точки> (10-16 раз). сохраните полученную кривую с помощью кнопки <Сохранить>. Температура В этом режиме происходит нагревание образца и снятие зависимостей диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь от температуры. В этом режиме работы установите размах петли 10-15% от насыщения. Внимание !!! во время нагрева амплитуду петли не изменяйте!!! При снятии температурной зависимости можно сохранить несколько петель с помощью кнопки <Сохранить>

Фиксация точки

Просмотра и обработки: C(U) База данных Автомасштаб Масштаб 75 Печать Буфер обмена Сохранить

При нажатии на эту кнопку происходит запись значений вершин частных петель гистерезиса и построения по ним основной кривой поляризации (рис 5).

Измерение При выборе этого пункта активизируется процесс соединения с измерительным блоком. Выберите необходимый вам эксперимент (Поле, Температура) Поле Активизирует процесс снятия петель гистерезиса и основной кривой поляризации. Регулятором на лицевой панели измерительного блока можно изменять напряженность поля – при этом масштаб графика изменяется автоматически (этот режим можно отключить см. Автомасштаб) Рис 5 Снятие основной кривой поляризации

8

9