Badanie właściwości

ferroelektrycznych

Metodyka wykonywania ćwiczenia

Uniwersytet Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o

Materiałach

KO
RK
MN

Sosnowiec, 04.01.2011

Plan prezentacji

1. Wstęp teoretyczny
2. Cel ćwiczenia
3. Stanowisko pomiarowe
4. Przebieg ćwiczenia
5. Rezultaty wykonanych pomiarów
6. Obliczenia
7. Wyniki pomiarów

Uniwersytet

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o

Materiałach

Badanie właściwości

ferroelektrycznych

1. Wstęp teoretyczny

Ferroelektryki to substancje o bardzo dużej wartości
przenikalności elektrycznej spowodowanej występowaniem
spontanicznie spolaryzowanych obszarów (domen).

Duża wartość przenikalności jest wynikiem uporządkowania
domen w zewnętrznym polu. W ferroelektrykach zanik
właściwości dielektrycznych w określonej temperaturze
(zwanej podobnie jak w ferromagnetykach temperaturą
Curie). Poniżej tej temperatury obserwuje się zjawisko
histerezy polegającej na tym, że ich polaryzacja zależy w
charakterystyczny sposób nie tylko od natężenia pola ale i od
historii próbki.

Uniwersytet

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o

Materiałach

Badanie właściwości

ferroelektrycznych

Rys. 1. Pętla histerezy

Uniwersytet

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o

Materiałach

Badanie właściwości

ferroelektrycznych

.

Uniwersytet

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o

Materiałach

Badanie właściwości

ferroelektrycznych

Przy

zmniejszaniu

natężenia

pola

zewnętrznego od wartości odpowiadającej
nasyceniu polaryzacja maleje wzdłuż krzywej
FH leżącej powyżej BO.
W polu zerowym próbka ferroelektryka
wykazuje teraz pozostałość elektryczną
(remanencję) odpowiadającą na wykresie
odcinkowi OH. Przy wartości OC pola
zorientowanego

przeciwnie

pozostałość

elektryczna staje się równa zeru. Pole o tej
wartości nazywamy polem koercji.

.

Uniwersytet

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o

Materiałach

Badanie właściwości

ferroelektrycznych

Dalsze powiększanie pola o tym
nowym

kierunku

polaryzuje

do

nasycenia

próbkę

w

kierunku

zgodnym z polem (punkt G). Powrót
zamyka pętlę histerezy krzywą GDF
symetryczną

do

FHCG.

Wartość

polaryzacji odpowiadająca rzędnej
punktu F (albo G gdy pętla jest
symetryczna)

nazywana

jest

polaryzacją całkowitą.

.

Uniwersytet

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o

Materiałach

Badanie właściwości

ferroelektrycznych

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

-0,3

-0,2

-0,1

0,0

0,1

0,2

0,3

T=293K
T=303K
T=313K
T=333K
T=343K
T=353K
T=363K
T=373K
T=383K
T=393K
T=403K
T=413K

P

[C

/m

2

]

E[kV/cm]

Rys. 2. Pętle histerezy uzyskane wraz ze zmianą

temperatury dla ceramiki 8/65/35 PLZT

.

Uniwersytet

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o

Materiałach

Badanie właściwości

ferroelektrycznych

Na rysunku nr 2 można zauważyć
że pod wpływem temperatury pętla
histerezy ulega zmianie. Przy
zwiększaniu

temperatury

polaryzacja maleje wzdłuż krzywej
FH. Obserwujemy jednocześnie
zmniejszenie się pola koercji

2. Cel ćwiczenia

1. Zapoznanie się z właściwościami ferroelektrycznymi
materiałów

ceramicznych.

2. Odwzorowanie pętli histerezy dla różnych temperatur
grzania próbki.

Uniwersytet

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o

Materiałach

Badanie właściwości

ferroelektrycznych

3. Stanowisko pomiarowe

Uniwersytet

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o

Materiałach

Badanie właściwości

ferroelektrycznych

Rys. 3. 1 - woltomierz 2 – zasilacz z amperomierzem 3 –

piecyk

4 - układ Sawyera – Towera 5 - oscyloskop

Rys. 4. Oscyloskop

Uniwersytet

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o

Materiałach

Badanie właściwości

ferroelektrycznych

Rys. 5. Schemat układu Sawyera-Towera

Uniwersytet

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o

Materiałach

Badanie właściwości

ferroelektrycznych

Układ pomiarowy do pomiaru parametrów

pętli histerezy nazywany jest mostkiem
Sawyera-Towera. Zbudowany jest z dwóch
dzielników

napięcia

oporowego

R

1

 i

R

2

 (rys.6) i pojemnościowego złożonego z

kondensatora C

1

 i badanej próbki C

x

. Oba

dzielniki połączone równolegle zasilane są
tym samym napięciem zmiennym.

Spadek napięcia z opornika R

1

 przyłożony

jest do płytek odchylania poziomego lampy
oscylograficznej.

Uniwersytet

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o

Materiałach

Badanie właściwości

ferroelektrycznych

4. Przebieg ćwiczenia

Uniwersytet

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o

Materiałach

Badanie właściwości

ferroelektrycznych

Dokonać pomiaru badanej próbki za pomocą mikrometru

oraz suwmiarki.

Następnie próbkę umieścić w piecyku (czynność tę

wykonuje prowadzący zajęcia).

4. Przebieg ćwiczenia

Uniwersytet

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o

Materiałach

Badanie właściwości

ferroelektrycznych

W pierwszej fazie ćwiczenia trzeba otrzymać

skompensowaną pętlę histerezy w temperaturze pokojowej
(zanotować jej wartość). W tym celu należy:

- włączyć do sieci wtyczki sieciowe oscyloskopu, układu
Sawyera –

Towera i multimetru Metex;

- włączyć oscyloskop przyciskiem Power 1 (patrz rys. 1),
wyregulować

plamkę potencjometrami 2 i sprawdzić

położenie przełączników

sygnału 3 (pozycja V DC);

- włączyć układ Sawyera – Towera i multimetr Metex,
przełączyć na

zakres 200mV DC;

4. Przebieg ćwiczenia

Uniwersytet

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o

Materiałach

Badanie właściwości

ferroelektrycznych

- wolno podwyższając napięcie autotransformatora otrzymać
na

ekranie obraz pętli histerezy (nie przekraczać

napięcia skutecznego podanego przez prowadzącego
ćwiczenia, dopuszczalne napięcie

zależy od rodzaju

próbki);

- dobrać pojemność C

0

i zanotować ją;

- skompensować pętlę potencjometrami X.

4. Przebieg ćwiczenia

Uniwersytet

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o

Materiałach

Badanie właściwości

ferroelektrycznych

Zanotować dane potrzebne do obliczeń pola koercji E

c

oraz

polaryzacji szczątkowej P

r

:

- napięcie skuteczne U

Sk

, pojemność C

0

, nastawę dzielnika Y

oscyloskopu 4 ,

- dla monokryształu odcinki: AB i CD oraz OK (rys. 2),

- dla ceramiki odcinki: AB i CD oraz OH (rys. 2).

4. Przebieg ćwiczenia

Uniwersytet

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o

Materiałach

Badanie właściwości

ferroelektrycznych

Kolejna faza ćwiczenia polega na uzyskaniu pętli histerezy

dla różnych temperatur grzania próbki. W tym celu należy:
- włączyć do sieci piecyk - rozpocząć grzanie. Ustabilizować

temperatury zadane przez prowadzącego - dla ceramiki: 40,

60, 80, 100, 120

0

C;

- dla każdej z zadanych temperatur należy odrysować
obserwowany

obraz pętli histerezy oraz zanotować dane

potrzebne do

późniejszych obliczeń pola koercji i polaryzacji

dla podanych

temperatur.

- zanotować dokładną temperaturę zaniku pętli.
- narysować wykresy E

C

(T) i P(T) dla wszystkich punktów

pomiarowych.

4. Przebieg ćwiczenia

Uniwersytet

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o

Materiałach

Badanie właściwości

ferroelektrycznych

Po zakończeniu ćwiczenia należy:

- wyłączyć grzanie piecyka z próbką;
- multimetr METEX M-4650 przełączyć na zakres DCV 1000 V
i wyłączyć go;
- obniżyć napięcie autotransformatora w układzie Sawyera –
Towera do zera;
- wyłączyć układ Sawyera – Towera;
- wyłączyć oscyloskop;
- wyjąć wtyczki wszystkich urządzeń z sieci.

Rys. 6. Pętla histerezy dla badanej próbki w temperaturze pokojowej

Uniwersytet

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o

Materiałach

Badanie właściwości

ferroelektrycznych

5. Rezultaty wykonanych pomiarów

Rys. 7. Pętla histerezy dla badanej próbki w temperaturze 40°C

Uniwersytet

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o

Materiałach

Badanie właściwości

ferroelektrycznych

5. Rezultaty wykonanych pomiarów

Rys. 5. Pętla histerezy dla badanej próbki w temperaturze 60°C

Uniwersytet

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o

Materiałach

Badanie właściwości

ferroelektrycznych

5. Rezultaty wykonanych pomiarów

Rys. 6. Pętla histerezy dla badanej próbki w temperaturze 80°C

Uniwersytet

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o

Materiałach

Badanie właściwości

ferroelektrycznych

5. Rezultaty wykonanych pomiarów

Rys. 8. Pętla histerezy dla badanej próbki w temperaturze 100°C

Uniwersytet

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o

Materiałach

Badanie właściwości

ferroelektrycznych

5. Rezultaty wykonanych pomiarów

Rys. 9. Pętla histerezy dla badanej próbki w temperaturze 120°C

Uniwersytet

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o

Materiałach

Badanie właściwości

ferroelektrycznych

5. Rezultaty wykonanych pomiarów

6. Obliczenia

Uniwersytet

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o

Materiałach

Badanie właściwości

ferroelektrycznych

1. Pole koercji

gdzie:

d - grubość próbki,
U

c

- napięcie koercji

gdzie:

CD i AB - odcinki odczytane z

pętli,

U

pp

- napięcie

międzyszczytowe

d

U

E

c

c



AB

CD

U

U

pp

c







2

sk

pp

U

U

2

2



6. Obliczenia

Uniwersytet

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o

Materiałach

Badanie właściwości

ferroelektrycznych

2. Polaryzacja spontaniczna

gdzie:
C0 - pojemność kondensatora
wzorcowego,
U

Y

- określamy mierząc odcinek OK. na pętli (wzmacniacz

osi Y

oscyloskopu musi być wykalibrowany),

S - powierzchnia elektrody

S

U

C

P

Y

s





0

7. Wyniki pomiarów

Uniwersytet

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o

Materiałach

Badanie właściwości

ferroelektrycznych

Wymiary próbki:

d=0,23cm
S=0,71cm²

Parametry układu pomiarowego:

C

o

= 542nF

U

sk

= 500V

U

pp

= 1,41 kV

odchylenie osi x = 1,5
odchylenie osi y = 0,5

7. Wyniki pomiarów

Uniwersytet

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o

Materiałach

Badanie właściwości

ferroelektrycznych

Karta pomiarowa

7. Wyniki pomiarów

Uniwersytet

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o

Materiałach

Badanie właściwości

ferroelektrycznych

7. Wyniki pomiarów

Uniwersytet

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o

Materiałach

Badanie właściwości

ferroelektrycznych

Dziękujemy za uwagę !