铁电体热释电系数的本征和场致增强模式的机理
发布时间：2021-05-31 15:07
铁电材料制备的红外探测器主要有两种工作模式:热释电体的无电场本征模式和铁电体的场致增强模式.利用铁电体的唯象理论,通过引入偶极子耦合,得到了两种模式热释电系数的理论公式.其数值模拟表明,在热释电体的本征模式中,热释电系数随温度的上升而增加,接近居里温度时急剧增大.在铁电体的场致增强模式中,热释电系数由场致诱导极化的温度效应和偶极子的转动效应产生.在低温区,低电场时以偶极子的转动为主形成一个尖锐的峰,增大电场后变为以场致诱导极化为主.温度升高,以偶极子转动引起的热释电系数峰向高电场方向移动,在顺电相,以场致诱导极化为主.铁电体用于热释电效应时,保持温度稳定性的基本方法是温度越高,施加的电场越大.
【文章来源】：科学通报. 2020,65(20)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
(网络版彩色)不同温度下,电场对热释电系数p、转动热释电系数pR和极化热释电系数pP的影响.(a)T=250 K;(b)T=275 K;(c)T=300 K;(d)T=315 K
(111)取向的0.9PMN-0.1PT铁电单晶外加电场后测试其热释电系数,随着电场的增大热释电系数的负能谷向高温移动[19],实验现象与图4(a)在280～320 K温度区间的结果完全一致.在掺杂的Na0.5Bi0.5Ti O3铁电陶瓷中,在50°C加5 kV/cm的电场时,热释电系数的数值为-0.5;在100°C加25 kV/cm电场时,热释电系数为-0.125,且整个变化规律与本研究的结论完全一致:在低温下低电场时热释电系数有最低的能谷,主要由转动的偶极子贡献;随温度升高偶极子的转动发生在较宽的温度范围并需要较大的电场,导致了热释电系数能谷的展宽.对于其他的铁电材料[20,21],热释电系数能谷随T和E的变化均服从式(15)和(16)的结果.具有热释电性和压电性的热释电体被实验证实其热释电系数随温度变化较大,使得热释电探测器工作性能难以稳定[1,2].本研究的理论工作给出相关的解释:在低于居里温度的温度范围内热释电系数较小,远低于铁电体在加电场后的情况,而在居里温度附近会有急剧增大的热释电系数,且在顺电相突变为0.此结论与三氟乙酸二丁胺热释电体的实验结果完全相符[22].
热释电系数表现为与电滞回线对应的变化,考虑到实验与应用中均为单向增加电场的过程,因而铁电体的场致诱导热释电系数仅考虑了从电场为0到最大的回线初始增加过程.正常铁电体和热释电体的热释电系数为负值.图2比较了在同样条件下的铁电体在各种电场作用下的热释电系数和经超高电场极化成为热释电体后在无电场时的热释电系数.铁电体在低电场时的负热释电系数在低温时会出现低谷,在反向偶极子消失的临界温度出现了正的尖锐峰.图2所示E>12后该尖锐峰逐渐减小并移向低温;E=25时热释电系数峰在居里温度;E>30热释电系数峰移向较高温度且值较小.超高电场极化形成的热释电体具有简单热释电系数变化规律:偶极子的耦合效应使其自身的Tc移向了略高的温度,热释电系数从低温到高温逐渐增大,到Tc时达到极大.高于Tc时热释电体转变为顺电相使热释电系数为0.因此,尽管热释电体在Tc附近有较大的热释电系数,但低于Tc却远小于铁电体,且整体的温度稳定性较差.根据式(7),铁电体在电场作用下的热释电系数p由场致偶极子转动导致的转动热释电系数pR和电场诱导极化的热释电系数pP构成.在不同温度下,电场对其作用的过程如图3所示.在较低的温度下,热释电系数主要由偶极子的转动贡献,T=250 K时热释电系数的峰在较低的电场E=5,当温度升高到T=275 K时,热释电系数峰减小且电场增大到E=10,主要贡献仍然是偶极子的转动.温度达到Tc时,热释电系数的主要贡献变为了诱导极化强度,峰移到更高的电场E=30且更平稳.到了顺电相,主要贡献仍然是诱导极化强度,且热释电系数不断减小.
【参考文献】：
期刊论文
[1]反铁电体的能量释放效应[J]. 曹万强,乐耀昌,陈勇,郑克玉,潘瑞琨,王龙海. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2020(06)
[2]铁电性和偶极子转向对电卡效应的影响[J]. 潘瑞琨,潘一路,陈勇,张蕾,郑克玉,程佳吉,曹万强. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2020(03)
[3]反铁电体的极化与介电效应[J]. 陈勇,姜朝斌,秦路,王龙海,潘瑞琨,曹万强. 中国科学:技术科学. 2019(11)
[4]铁电体的极化储能效应[J]. 曹万强,陈甘霖,陈勇,王龙海,张蕾,祁亚军,潘瑞琨. 中国科学:技术科学. 2019(08)
[5]双势阱铁电体的场致应变效应[J]. 曹万强,方凡,陈勇,陈琪,骆迁,张灿灿,潘瑞琨,祁亚军. 中国科学:技术科学. 2017(04)
[6]高电场下弛豫铁电体的场致效应[J]. 陈勇,卞梦云,张灿灿,陈琪,骆迁,黄镇,曹万强,潘瑞琨,祁亚军. 中国科学:技术科学. 2017(01)
[7]铁电体中偶极子的滞后对剩余极化的影响[J]. 曹万强,刘培朝,陈勇,潘瑞琨,祁亚军. 物理学报. 2016(13)
[8]铁电体表面效应的唯象理论及其与横场Ising模型的关系[J]. 钟维烈,王玉国,张沛霖,曲保东. 中国科学（A辑 数学 物理学 天文学 技术科学）. 1996(10)
本文编号：3208476
【文章来源】：科学通报. 2020,65(20)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
(网络版彩色)不同温度下,电场对热释电系数p、转动热释电系数pR和极化热释电系数pP的影响.(a)T=250 K;(b)T=275 K;(c)T=300 K;(d)T=315 K
(111)取向的0.9PMN-0.1PT铁电单晶外加电场后测试其热释电系数,随着电场的增大热释电系数的负能谷向高温移动[19],实验现象与图4(a)在280～320 K温度区间的结果完全一致.在掺杂的Na0.5Bi0.5Ti O3铁电陶瓷中,在50°C加5 kV/cm的电场时,热释电系数的数值为-0.5;在100°C加25 kV/cm电场时,热释电系数为-0.125,且整个变化规律与本研究的结论完全一致:在低温下低电场时热释电系数有最低的能谷,主要由转动的偶极子贡献;随温度升高偶极子的转动发生在较宽的温度范围并需要较大的电场,导致了热释电系数能谷的展宽.对于其他的铁电材料[20,21],热释电系数能谷随T和E的变化均服从式(15)和(16)的结果.具有热释电性和压电性的热释电体被实验证实其热释电系数随温度变化较大,使得热释电探测器工作性能难以稳定[1,2].本研究的理论工作给出相关的解释:在低于居里温度的温度范围内热释电系数较小,远低于铁电体在加电场后的情况,而在居里温度附近会有急剧增大的热释电系数,且在顺电相突变为0.此结论与三氟乙酸二丁胺热释电体的实验结果完全相符[22].
热释电系数表现为与电滞回线对应的变化,考虑到实验与应用中均为单向增加电场的过程,因而铁电体的场致诱导热释电系数仅考虑了从电场为0到最大的回线初始增加过程.正常铁电体和热释电体的热释电系数为负值.图2比较了在同样条件下的铁电体在各种电场作用下的热释电系数和经超高电场极化成为热释电体后在无电场时的热释电系数.铁电体在低电场时的负热释电系数在低温时会出现低谷,在反向偶极子消失的临界温度出现了正的尖锐峰.图2所示E>12后该尖锐峰逐渐减小并移向低温;E=25时热释电系数峰在居里温度;E>30热释电系数峰移向较高温度且值较小.超高电场极化形成的热释电体具有简单热释电系数变化规律:偶极子的耦合效应使其自身的Tc移向了略高的温度,热释电系数从低温到高温逐渐增大,到Tc时达到极大.高于Tc时热释电体转变为顺电相使热释电系数为0.因此,尽管热释电体在Tc附近有较大的热释电系数,但低于Tc却远小于铁电体,且整体的温度稳定性较差.根据式(7),铁电体在电场作用下的热释电系数p由场致偶极子转动导致的转动热释电系数pR和电场诱导极化的热释电系数pP构成.在不同温度下,电场对其作用的过程如图3所示.在较低的温度下,热释电系数主要由偶极子的转动贡献,T=250 K时热释电系数的峰在较低的电场E=5,当温度升高到T=275 K时,热释电系数峰减小且电场增大到E=10,主要贡献仍然是偶极子的转动.温度达到Tc时,热释电系数的主要贡献变为了诱导极化强度,峰移到更高的电场E=30且更平稳.到了顺电相,主要贡献仍然是诱导极化强度,且热释电系数不断减小.
【参考文献】：
期刊论文
[1]反铁电体的能量释放效应[J]. 曹万强,乐耀昌,陈勇,郑克玉,潘瑞琨,王龙海. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2020(06)
[2]铁电性和偶极子转向对电卡效应的影响[J]. 潘瑞琨,潘一路,陈勇,张蕾,郑克玉,程佳吉,曹万强. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2020(03)
[3]反铁电体的极化与介电效应[J]. 陈勇,姜朝斌,秦路,王龙海,潘瑞琨,曹万强. 中国科学:技术科学. 2019(11)
[4]铁电体的极化储能效应[J]. 曹万强,陈甘霖,陈勇,王龙海,张蕾,祁亚军,潘瑞琨. 中国科学:技术科学. 2019(08)
[5]双势阱铁电体的场致应变效应[J]. 曹万强,方凡,陈勇,陈琪,骆迁,张灿灿,潘瑞琨,祁亚军. 中国科学:技术科学. 2017(04)
[6]高电场下弛豫铁电体的场致效应[J]. 陈勇,卞梦云,张灿灿,陈琪,骆迁,黄镇,曹万强,潘瑞琨,祁亚军. 中国科学:技术科学. 2017(01)
[7]铁电体中偶极子的滞后对剩余极化的影响[J]. 曹万强,刘培朝,陈勇,潘瑞琨,祁亚军. 物理学报. 2016(13)
[8]铁电体表面效应的唯象理论及其与横场Ising模型的关系[J]. 钟维烈,王玉国,张沛霖,曲保东. 中国科学（A辑 数学 物理学 天文学 技术科学）. 1996(10)
本文编号：3208476
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