本發(fā)明屬于鐵電材料的測試技術(shù)領域，特別涉及一種用光學方法測量鐵電材料電滯回線的測試技術(shù)。

背景技術(shù)：

電滯回線是鐵電性的一個標志。測量鐵電材料電滯回線的基本原理是將待測樣品視為電容，通過測量電流或電壓得到測試樣品上的極化電荷。測量方法通常有兩種：沖擊檢流計掃描法和sawyer-tower電路法。

其中，沖擊檢流計掃描法是利用沖擊檢流計記錄鐵電材料極化過程中產(chǎn)生的電荷量，從而獲得鐵電體的電滯回線。該方法所需的電子器件多，比較復雜。

sawyer-tower電路法，也稱為示波器圖示法，通過將鐵電材料與電容值很大的標準電容相串聯(lián)，測量標準電容兩端的電壓，得到鐵電體的電滯回線。該方法相比于沖擊檢流計掃描法更加簡便，是測量電滯回線的經(jīng)典方法，后續(xù)研究者在此基礎上做了很多改進。

以上方法均屬于電學測量方法，具有電學測量中固有的電子元件多、電路設計復雜、價格昂貴等缺點，且不能觀察到鐵電材料中電疇結(jié)構(gòu)隨電場的變化。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種鐵電材料電滯回線的光學測量方法。該方法是基于正交偏振成像系統(tǒng)，通過測量不同電場下，極化過程中鐵電疇沿疇壁側(cè)向移動方向的位移從而獲得鐵電材料的電滯回線。

本發(fā)明的一種鐵電材料電滯回線的光學測量方法，該方法包括以下步驟：

步驟1、搭建正交偏振成像系統(tǒng)，將鐵電材料放置于正交偏振成像系統(tǒng)的物面處，控制鐵電材料恒溫，并處于鐵電態(tài)；

步驟2、利用電場加載系統(tǒng)給鐵電材料加載正向(或反向)電場，當外加電場大于材料閾值電場時，新疇產(chǎn)生，疇壁開始運動，再逐漸增大電場到鐵電體極化成單疇態(tài)。隨后，卸載電場—加載反向(或正向)電場—卸載電場—加載正向(或反向)電場，循環(huán)一個周期，完成電滯回線測試，記錄不同過程不同電場下的鐵電疇結(jié)構(gòu)；

步驟3、分析步驟2所記錄的疇結(jié)構(gòu)，將加載電場單疇化時的疇壁側(cè)向移動方向作為鐵電疇位移的正方向，沿疇壁側(cè)向移動方向提取新疇的長度矢量將作為該電場下鐵電疇的位移；

步驟4、對步驟2所記錄的疇結(jié)構(gòu)，從新疇產(chǎn)生處作為初始位置，提取與新疇相鄰電場下疇壁側(cè)向移動的相對位移則該電場下鐵電疇的位移為再以該電場下的疇作為初始位置，提取與其相鄰電場下疇壁側(cè)向移動的相對位移則其相鄰電場下鐵電疇的位移為即依此方法，提取出彼此相鄰電場之間的疇壁側(cè)向移動的相對位移則可得到不同電場下鐵電疇的位移為即式中分別為相鄰兩電場下鐵電疇的位移；當疇壁側(cè)向移動方向與鐵電疇位移方向相同時，值為正，與鐵電疇位移方向相反時，值為負；

步驟5、將步驟4得到的數(shù)據(jù)描點繪圖，得到鐵電疇位移與外加電場之間的曲線。根據(jù)偶極子理論，該曲線即為鐵電材料的電滯回線。

改變鐵電材料測試溫度，獲得不同溫度下的曲線。

沿所述步驟(3)中方向上的不同線，得到的鐵電疇位移是不同的，但曲線形狀是相同的。

所述步驟(3)、(4)中所述鐵電疇的疇壁移動用其疇壁移動的面積表示，得到其曲線。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明既可以實時記錄鐵電材料在極化過程中的電疇結(jié)構(gòu)，也可獲得表征鐵電材料特性的電滯回線，具有簡單、方便、直觀等優(yōu)點，為鐵電材料測試技術(shù)領域的研究提供了一種新的方法。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提出的一種鐵電材料電滯回線的光學測量方法流程圖；

圖2為本發(fā)明提出的正交偏振成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖標記：1、激光器，2、起偏器，3、晶體，4、顯微物鏡，5、檢偏器，6、ccd，7、計算機，8、電壓加載系統(tǒng)，9、溫度控制系統(tǒng)；

圖3為本發(fā)明實例中mn:fe:ktn晶體單疇化及其卸載電場時，在e＝0.0kv/cm、1.0kv/cm、1.75kv/cm、3.0kv/cm、0.5kv/cm和0.0kv/cm時，晶體中的電疇結(jié)構(gòu)圖。

圖4為本發(fā)明實例中所測得的mn:fe:ktn晶體的曲線圖。

具體實施方式

下面以圖2所示的實驗光路為例，闡述本發(fā)明測量方法的具體測量過程；

步驟1、搭建正交偏振成像系統(tǒng)。該正交偏振成像系統(tǒng)包括激光器1、起偏器2、mn:fe:ktn晶體3、顯微物鏡(×25)4、檢偏器5、ccd6、計算機7、電壓加載系統(tǒng)8和溫度控制系統(tǒng)9。其中mn:fe:ktn晶體3是采用頂部籽晶助溶劑法生長的單晶，其尺寸為3.4^(x)×2.0^(y)×0.94^(z)mm³，居里溫度為27℃，在xy兩表面進行光學拋光，xz兩表面鍍銀電極及導線。電場通過電壓加載系統(tǒng)8沿y軸方向加載到晶體3上，即激光器1為波長λ＝532nm的半導體激光器，發(fā)出的激光束經(jīng)起偏器2顯微物鏡4，檢偏器5到達ccd6上，這時起偏器2與檢偏器5正交，即處于消光狀態(tài)；當放入晶體后，晶體3、顯微物鏡4和ccd6組成成像系統(tǒng)，即可在ccd上觀察到晶體中的鐵電疇結(jié)構(gòu)，此正交偏振成像系統(tǒng)的放大倍率為25倍。將晶體3放置于正交偏振成像系統(tǒng)的物面處，利用溫度控制系統(tǒng)9保持晶體溫度恒定于25℃，此時，該晶體處于鐵電態(tài)；

步驟2、給晶體加載正向電場，逐漸增加電場至3.0kv/cm，此時晶體完全單疇化，ccd6記錄不同電場下的鐵電疇結(jié)構(gòu)。圖3的(a)-(d)給出了外加電場分別為kv/cm、1.0kv/cm、1.75kv/cm和3.0kv/cm時，晶體中的鐵電疇結(jié)構(gòu)分布；

分析不同電場下的疇結(jié)構(gòu)，如圖3(a)所示，當外加電場為零時，觀察到的疇結(jié)構(gòu)為晶體的自發(fā)極化疇；如圖3(b)所示，當外加電場時，新疇產(chǎn)生，該電場為閾值電場；如圖3(c)所示，當外加電場時，疇壁發(fā)生側(cè)向移動，部分疇壁合并；如圖3(d)所示，當外加電場時，晶體為單疇態(tài)。設加載電場時的疇壁側(cè)向移動方向作為鐵電疇位移的正方向(圖3中實線箭頭表示的方向)；

步驟3、從新疇產(chǎn)生處作為初始位置，沿圖3(b)中的虛線位置上提取新疇的長度矢量，在觀察區(qū)域內(nèi)新疇的矢量長度為將作為電場時鐵電疇的位移。如圖3(c)所示，提取電場與電場之間疇壁側(cè)向移動的相對位移則電場時，鐵電疇的位移如圖3(d)所示，提取電場與之間疇壁側(cè)向移動的相對位移則電場時，鐵電疇的位移即為晶體單疇化位移。晶體單疇化后，鐵電疇位移不變。這時疇壁側(cè)向移動方向與設定的鐵電疇位移方向相同，為正值。

步驟4、經(jīng)步驟2和3后晶體單疇化，這時對晶體逐漸卸載電場，記錄不同電場下的鐵電疇結(jié)構(gòu)。單疇時，鐵電疇的位移電場為降低電場到kv/cm，如圖3(e)所示，提取電場與之間疇壁側(cè)向移動的相對位移則電場時，鐵電疇的位移降低電場到如圖3(f)所示，提取電場與之間疇壁側(cè)向移動的相對位移則電場時，鐵電疇的位移即這時疇壁側(cè)向移動方向與設定的鐵電疇位移方向相反，為負值。

步驟5、經(jīng)步驟4后，對晶體逐漸加載反向電場，記錄不同電場下的鐵電疇結(jié)構(gòu)。在電場鐵電疇的位移如圖3(f)所示。增加電場到提取電場與之間疇壁側(cè)向移動的相對位移則電場時，鐵電疇的位移增加電場到晶體反向單疇化，提取電場與之間疇壁側(cè)向移動的相對位移則電場時，鐵電疇的位移即這時疇壁側(cè)向移動方向與設定的鐵電疇位移方向相反，為負值。

步驟6、經(jīng)步驟5后，對晶體逐漸卸載反向電場，記錄不同電場下的鐵電疇結(jié)構(gòu)。單疇時，鐵電疇的位移電場為降低電場到提取電場與之間疇壁側(cè)向移動的相對位移則電場時，鐵電疇的位移降低電場到提取電場與之間疇壁側(cè)向移動的相對位移則電場時，鐵電疇的位移即這時疇壁側(cè)向移動方向與設定的鐵電疇位移方向相同，為正值。

步驟7、經(jīng)步驟6后，對晶體逐漸加載正向電場，記錄不同電場下的鐵電疇結(jié)構(gòu)。在電場鐵電疇的位移增加電場到提取電場與之間疇壁側(cè)向移動的相對位移則電場時，鐵電疇的位移增加電場到時，晶體正向單疇化，提取電場與之間疇壁側(cè)向移動的相對位移則電場時，鐵電疇的位移即這時疇壁側(cè)向移動方向與設定的鐵電疇位移方向相同，為正值。

步驟8、將經(jīng)步驟4—步驟7測得的數(shù)據(jù)描點繪圖，得到鐵電疇位移與外加電場之間的曲線，如圖4所示。根據(jù)偶極子理論，該曲線即為晶體的電滯回線。電場間隔越小，曲線數(shù)據(jù)點越多，曲線越光滑。