2.3 Осциллографический метод - определения спонтанной поляризации

Данный метод был впервые описан в работе Сойера и Тауера в 1930 г. [142]. Сегнетоэлектрическую петлю диэлектрического гистерезиса легко наблюдать на экране осциллографа. Петли диэлектрического гистерезиса представляют собой зависимость электрической поляризации от напряжённости внешнего электрического поля, являются одной из основных характеристик любого сегнетоэлектрика.

Напряжение [Д с эталонного конденсатораподаётся на вход Y

осциллографа. Это напряжение пропорционально заряду qна эталонном конденсаторе. Заряд qможно определить из соотношения

где U_x- напряжение на образце. Поскольку заряд qсвязан с поверхностной плотностью заряда а соотношением

где S'- площадь поверхности образца, то в случае, когда вектор поляризации Р перпендикулярен поверхности кристалла, имеем

Подставляя (2.12) и (2.11) в (2.13), получаем для поляризации

Отсюда следует, что напряжение на эталонном конденсаторе Uпрямо пропорционально поляризации Р.

На вход X осциллографа подаётся напряжение с сегнетоэлектрического кристалла (при использовании в эксперименте большой величины напряженности электрического поля применяется делитель, состоящий из двух

последовательно соединённых сопротивлений R₁и R2), пропорциональное величине электрического поля, приложенного к образцу.

Рис. 2.9. Схема для наблюдения петель диэлектрического гистерезиса

Таким образом, на экране осциллографа (при выключенном генераторе развёртки горизонтального отклонения) можно видеть изображение петли гистерезиса q ^q(u) - зависимость заряда q(или поляризации P = q/S)от напряжения U_xна его обкладках (или напряжённости электрического поля E = UJd, где d - толщина образца). Данный метод позволяет измерять как величину поляризации сегнетоэлектрического материала, так и коэрцитивное поле.

В тоже время, данный метод не позволяет определять полное значение спонтанной поляризации в сегнетоэлектрических материалах, которые в силу структурных особенностей имеют области (называемые кластерами) с непереключаемой поляризацией. В этих случаях на осциллографе, даже в случае «раскрытой» петли диэлектрического гистерезиса, наблюдается не спонтанная, а переключаемая поляризация. К материалам, обладающим подобными свойствами, относятся исследуемые в работе монокристаллы твердых растворов ниобата бария стронция Sr_xBa₁._xNb₂θ6 и ниобата бария кальция Ca_xBa₁._xNb2θ6.

В эксперименте петли диэлектрического гистерезиса фиксировались с помощью цифровой фотокамеры, а затем обрабатывались на компьютере.