實驗名稱(cheng)：鈮酸鋰晶體和薄膜的周期極(ji)化研究(jiu)

　　測試設(she)備：高壓(ya)放(fang)大器、函(han)數發(fa)生器、高壓(ya)探針臺、波(bo)雙通道示波(bo)器等。

　　實驗過程：

　　圖1：鈮酸鋰周期極化(hua)實(shi)驗裝(zhuang)置圖。HVA：高壓放大器；AFG：任意波形發生器；OSC：示波器

　　周期極化過程如圖1所(suo)示，整個(ge)實驗裝置由任意函數(shu)發生器(qi)AFG(ArbitraryFunctionGenerator)、高壓放大器(qi)HVA(HighVoltageAmplifier)、高壓探針臺、3個(ge)串聯在一(yi)(yi)起的100MΩ電阻和一(yi)(yi)個(ge)雙通道示波(bo)器(qi)OSC(Oscilloscope)五個(ge)部分構成。

　　將(jiang)帶有梳子電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)鈮(ni)酸(suan)鋰樣片置于(yu)(yu)高壓(ya)絕緣油之中，以防止(zhi)空(kong)氣擊穿(chuan)；AFG向HV提供一(yi)個低(di)壓(ya)脈沖信號(hao)，脈沖圖形(xing)可(ke)由(you)AFG繪(hui)制，偏置為(wei)給定電(dian)(dian)(dian)壓(ya)峰值的(de)(de)(de)(de)一(yi)半(ban)，即最小電(dian)(dian)(dian)壓(ya)為(wei)0；HV將(jiang)指定脈沖信號(hao)等比放(fang)大2000倍，變成(cheng)一(yi)個高壓(ya)脈沖信號(hao)，信號(hao)經由(you)探針(zhen)被(bei)加載到梳子狀電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)一(yi)端，另(ling)一(yi)端由(you)另(ling)一(yi)根(gen)探針(zhen)接(jie)(jie)出(chu)，連接(jie)(jie)一(yi)個等效(xiao)為(wei)300MΩ的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)阻，然后接(jie)(jie)地；雙通道示波器的(de)(de)(de)(de)通道一(yi)監(jian)測高壓(ya)放(fang)大器是否(fou)成(cheng)功對AFG的(de)(de)(de)(de)信號(hao)進(jin)行了放(fang)大，通道二通過300MΩ電(dian)(dian)(dian)阻分(fen)壓(ya)來監(jian)測是否(fou)有脈沖信號(hao)流(liu)過梳子電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)；由(you)于(yu)(yu)梳子狀電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)兩端不連接(jie)(jie)，一(yi)個方(fang)向由(you)正極(ji)(ji)到負極(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)強(qiang)(qiang)電(dian)(dian)(dian)場(chang)就形(xing)成(cheng)了，當強(qiang)(qiang)電(dian)(dian)(dian)場(chang)的(de)(de)(de)(de)場(chang)強(qiang)(qiang)大于(yu)(yu)鈮(ni)酸(suan)鋰的(de)(de)(de)(de)矯頑(wan)場(chang)時，晶體內(nei)部疇極(ji)(ji)反轉(zhuan)，周(zhou)期性分(fen)布的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)形(xing)成(cheng)了周(zhou)期性變化的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)場(chang)，也最終形(xing)成(cheng)了周(zhou)期極(ji)(ji)化圖形(xing)。

　　保持脈沖(chong)個(ge)(ge)數為8個(ge)(ge)不(bu)變，增(zeng)加極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)，此時的(de)(de)(de)上下(xia)(xia)電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)間(jian)(jian)隔為9.5μm，原始峰(feng)值電(dian)(dian)(dian)壓(ya)分別(bie)為110mV、115mV和(he)(he)(he)(he)120mV，對應電(dian)(dian)(dian)場強度(du)為23.15kV/mm、24.2kV/mm和(he)(he)(he)(he)25.2kV/mm。如圖(tu)2所示，給出了這三種情(qing)況下(xia)(xia)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)效果的(de)(de)(de)SEM圖(tu)，可以明(ming)顯的(de)(de)(de)看到(dao)，隨(sui)著脈沖(chong)峰(feng)值的(de)(de)(de)提(ti)高(gao)(gao)，非極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)區(qu)(qu)域(yu)(yu)的(de)(de)(de)大(da)小逐漸(jian)變大(da)，疇(chou)壁向(xiang)(xiang)外(wai)擴展(zhan)，極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)占(zhan)空(kong)比從(cong)60%升高(gao)(gao)至(zhi)83%。隨(sui)后，本文將電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)間(jian)(jian)距降低(di)至(zhi)4μm，在電(dian)(dian)(dian)場強度(du)為25kV/mm、極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)個(ge)(ge)數為8個(ge)(ge)的(de)(de)(de)情(qing)況下(xia)(xia)也能(neng)夠看到(dao)明(ming)顯的(de)(de)(de)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)現象(xiang)，如圖(tu)3所示。進一步將電(dian)(dian)(dian)場強度(du)提(ti)高(gao)(gao)至(zhi)30kV/mm，其得到(dao)的(de)(de)(de)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)效果和(he)(he)(he)(he)10μm間(jian)(jian)隔電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)圖(tu)案下(xia)(xia)的(de)(de)(de)有(you)所不(bu)同(tong)，隨(sui)著極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)峰(feng)值電(dian)(dian)(dian)壓(ya)的(de)(de)(de)增(zeng)加，極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)區(qu)(qu)域(yu)(yu)并沒有(you)明(ming)顯的(de)(de)(de)橫向(xiang)(xiang)擴展(zhan)，且根據電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)形貌(mao)的(de)(de)(de)不(bu)同(tong)，圓角電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)和(he)(he)(he)(he)尖端電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)呈(cheng)現的(de)(de)(de)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)狀態也不(bu)太(tai)一樣，但(dan)(dan)在8個(ge)(ge)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)數量的(de)(de)(de)情(qing)況下(xia)(xia)，極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)的(de)(de)(de)區(qu)(qu)域(yu)(yu)能(neng)夠到(dao)達(da)負(fu)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)，完成整個(ge)(ge)區(qu)(qu)域(yu)(yu)的(de)(de)(de)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)。發生(sheng)上述現象(xiang)的(de)(de)(de)原因可能(neng)是由于電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)間(jian)(jian)隔太(tai)短，電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)太(tai)寬，橫向(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)疇(chou)生(sheng)長達(da)到(dao)飽和(he)(he)(he)(he)，更趨向(xiang)(xiang)于縱向(xiang)(xiang)疇(chou)生(sheng)長，即擴展(zhan)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)深度(du)，但(dan)(dan)從(cong)SEM圖(tu)像上看不(bu)到(dao)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)深度(du)信(xin)息(xi)。

　　圖2：極(ji)化脈沖數8個，不(bu)同電(dian)(dian)場(chang)(chang)(chang)強(qiang)度(du)得到的SEM圖。(a)電(dian)(dian)場(chang)(chang)(chang)強(qiang)度(du)23.15kV/mm；(b)電(dian)(dian)場(chang)(chang)(chang)強(qiang)度(du)24.2kV/mm；(c)電(dian)(dian)場(chang)(chang)(chang)強(qiang)度(du)25.2kV/mm

　　對于10μm電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)間隔(ge)的(de)(de)(de)圖案(an)，將(jiang)場強(qiang)改為(wei)27kV/mm到33kV/mm，如圖4所(suo)(suo)示，鈮酸(suan)鋰晶體會發生明(ming)(ming)顯(xian)(xian)的(de)(de)(de)碎(sui)裂，但(dan)依(yi)然能夠看(kan)到殘缺(que)的(de)(de)(de)極(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)區(qu)(qu)域(yu)(yu)。同時(shi)，圖中還能明(ming)(ming)顯(xian)(xian)看(kan)到電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)碎(sui)裂，損傷(shang)電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)區(qu)(qu)域(yu)(yu)較大，極(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)的(de)(de)(de)殘缺(que)狀態也(ye)比較明(ming)(ming)顯(xian)(xian)。在(zai)(zai)27kV/mm電(dian)(dian)(dian)場強(qiang)度(du)下，極(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)區(qu)(qu)域(yu)(yu)較少，且疇壁位(wei)置模糊。在(zai)(zai)30kV/mm電(dian)(dian)(dian)場強(qiang)度(du)下，殘缺(que)非常明(ming)(ming)顯(xian)(xian)，只有(you)正極(ji)(ji)(ji)尖端部分有(you)少量極(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)區(qu)(qu)域(yu)(yu)。到了33kV/mm的(de)(de)(de)情況下，電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)正極(ji)(ji)(ji)損傷(shang)非常明(ming)(ming)顯(xian)(xian)，正負電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)之間的(de)(de)(de)損傷(shang)區(qu)(qu)域(yu)(yu)較大，正極(ji)(ji)(ji)極(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)區(qu)(qu)的(de)(de)(de)極(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)完全消失(shi)，但(dan)考慮到電(dian)(dian)(dian)場強(qiang)度(du)遠(yuan)大于21kV/mm左(zuo)右的(de)(de)(de)矯(jiao)頑場電(dian)(dian)(dian)場強(qiang)度(du)，所(suo)(suo)以在(zai)(zai)靠近負極(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)位(wei)置上有(you)著較為(wei)明(ming)(ming)顯(xian)(xian)的(de)(de)(de)極(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)現象，且靠近負極(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)位(wei)置上，幾乎沒(mei)有(you)損傷(shang)，極(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)可以順利完成，極(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)區(qu)(qu)域(yu)(yu)也(ye)較為(wei)完整的(de)(de)(de)保留了下來。

　　圖(tu)3：在4μm電(dian)(dian)極(ji)(ji)間隔、兩種不同電(dian)(dian)極(ji)(ji)形貌、極(ji)(ji)化脈(mo)沖數8個、不同極(ji)(ji)化電(dian)(dian)場強(qiang)度情況下(xia)得到的SEM圖(tu)。(a)電(dian)(dian)場強(qiang)度25kV/mm，圓角電(dian)(dian)極(ji)(ji)；(b)電(dian)(dian)場強(qiang)度25kV/mm，尖端電(dian)(dian)極(ji)(ji)；(c)電(dian)(dian)場強(qiang)度30kV/mm，圓角電(dian)(dian)極(ji)(ji)；(d)電(dian)(dian)場強(qiang)度30kV/mm，尖端電(dian)(dian)極(ji)(ji)

　　圖4：在10μm電(dian)(dian)極(ji)(ji)間距、極(ji)(ji)化(hua)脈沖數8個、不同極(ji)(ji)化(hua)電(dian)(dian)場(chang)(chang)(chang)強(qiang)(qiang)度情況下電(dian)(dian)極(ji)(ji)和鈮酸鋰損傷情況以及殘(can)缺極(ji)(ji)化(hua)區域的SEM表征圖。(a)電(dian)(dian)場(chang)(chang)(chang)強(qiang)(qiang)度電(dian)(dian)場(chang)(chang)(chang)強(qiang)(qiang)度27kV/mm；(b)電(dian)(dian)場(chang)(chang)(chang)強(qiang)(qiang)度電(dian)(dian)場(chang)(chang)(chang)強(qiang)(qiang)度30kV/mm；(c)電(dian)(dian)場(chang)(chang)(chang)強(qiang)(qiang)度電(dian)(dian)場(chang)(chang)(chang)強(qiang)(qiang)度33kV/mm

　　實驗結果：

　　本文在晶體鈮酸(suan)(suan)鋰(li)(li)(li)(li)材(cai)料下(xia)(xia)(xia)，對10μm和(he)4μm兩(liang)種電極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)間(jian)(jian)(jian)隔(ge)下(xia)(xia)(xia)的(de)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)圖案都完成(cheng)(cheng)了(le)疇(chou)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)反轉(zhuan)，制(zhi)備(bei)出了(le)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)周(zhou)期(qi)20μm的(de)周(zhou)期(qi)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)鈮酸(suan)(suan)鋰(li)(li)(li)(li)區域；針對10μm電極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)間(jian)(jian)(jian)隔(ge)，在遠小于鈮酸(suan)(suan)鋰(li)(li)(li)(li)擊(ji)穿場強，但大于1.5倍(bei)矯頑場的(de)情況(kuang)下(xia)(xia)(xia)，鈮酸(suan)(suan)鋰(li)(li)(li)(li)晶體發(fa)生嚴重碎裂(lie)的(de)原因(yin)還有待進一步實驗驗證；在薄膜(mo)(mo)鈮酸(suan)(suan)鋰(li)(li)(li)(li)材(cai)料下(xia)(xia)(xia)，對10μm電極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)間(jian)(jian)(jian)隔(ge)下(xia)(xia)(xia)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)圖案也完成(cheng)(cheng)了(le)疇(chou)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)翻轉(zhuan)，完成(cheng)(cheng)了(le)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)周(zhou)期(qi)5μm的(de)周(zhou)期(qi)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)鈮酸(suan)(suan)鋰(li)(li)(li)(li)區域；在高達(da)40kV/mm的(de)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)場強下(xia)(xia)(xia)，薄膜(mo)(mo)鈮酸(suan)(suan)鋰(li)(li)(li)(li)沒有出現(xian)如晶體狀態下(xia)(xia)(xia)的(de)碎裂(lie)，樣貌完整(zheng)，據此(ci)說明(ming)材(cai)料是影響鈮酸(suan)(suan)鋰(li)(li)(li)(li)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)的(de)參數之一；針對薄膜(mo)(mo)鈮酸(suan)(suan)鋰(li)(li)(li)(li)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)特點，為了(le)使(shi)得極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)占空(kong)比(bi)(bi)接近50%，接下(xia)(xia)(xia)來(lai)將從降(jiang)低電極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)占空(kong)比(bi)(bi)至35%和(he)降(jiang)低極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)時間(jian)(jian)(jian)兩(liang)方面達(da)成(cheng)(cheng)此(ci)目的(de).

　　高壓放大器(qi)推薦：ATA-7050

　　圖：ATA-7050高壓放大器指標參數

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