PbLa(Zr， Sn， Ti)O3 反鐵電陶瓷在脈沖電場下的極化與相變行為*

徐然 馮玉軍 魏曉勇 徐卓

(西安交通大學電子與信息學部電子科學與工程學院， 電子陶瓷與器件教育部重點實驗室， 西安 710049)

(2020 年2 月11日收到; 2020 年5 月14日收到修改稿)

在實際應用中， 反鐵電陶瓷常處于快速變化的脈沖電場下， 而傳統電滯回線測量時所施加的電場變化速率較慢， 并不能真實反映反鐵電陶瓷實際應用時的極化和相變行為. 本研究建立了反鐵電陶瓷脈沖電滯回線測試平臺， 研究了Pb0.94La0.04[(Zr0.52Sn0.48)0.84Ti0.16]O3反鐵電陶瓷在微秒級脈沖電場下的極化和相變行為. 研究結果表明， 反鐵電陶瓷在微秒級脈沖電場下可以發生相變， 但其極化強度降低， 正向相變電場變高， 反向相變電場變低， 從而導致其儲能特性發生了顯著的變化. 因此， 低頻電滯回線并不能真實反映反鐵電陶瓷在脈沖電場下的性能， 脈沖電滯回線對其應用具有更重要的參考價值.

1 引 言

反鐵電材料與鐵電材料具有密切的關系， 二者的晶格結構類似， 但反鐵電相鄰晶格中離子位移自發極化方向反向平行， 這使得反鐵電材料不表現出宏觀自發極化[1，2]現象. 反鐵電材料在足夠大的外電場作用下， 其中反向平行的偶極子可轉為平行排列， 此物理過程稱為電場誘導的“反鐵電-鐵電”(antiferroelectric-ferroelectric， AFE-FE)相變. 撤去外電場后， 材料可返回至初始的反鐵電相， 其“極化強度-電場”(P-E)曲線具有“雙電滯回線”的特征， 如圖1所示.

由于此特殊的相變行為， 反鐵電材料在多種工程應用方面具有巨大的潛力. 目前， 反鐵電材料的研究熱點是在儲能電容器方面的應用. 研究人員一方面通過組分調節、微量元素摻雜等手段調控反鐵電材料的相變特性， 增強其反鐵電性和減小電滯，以獲得細長的電滯回線， 實現高儲能密度和高能量效率[3，4]; 另一方面改進反鐵電陶瓷制備工藝， 如采用軋膜成型、熱壓燒結等手段獲得致密的陶瓷， 提高其擊穿場強， 從而獲得更高的能量密度[5，6]. 除去儲能電容器外， 反鐵電材料在電壓調節器[7]、陰極材料[8-10]等方面也具有良好的應用前景.

圖 1 反鐵電材料的雙電滯回線Fig. 1. Double P-E loop of antiferroelectrics.

反鐵電材料實現上述應用的關鍵在于其特殊的極化和相變行為. 例如， 反鐵電在電場誘導下的相變是實現高儲能密度的關鍵， 其相變電場和極化強度決定了它的儲能密度. 反鐵電材料的極化和相變行為可通過電滯回線來表征. 根據電滯回線可得知其極化強度、相變電場、電滯寬度等參數， 并可進一步計算得到微分介電常數、儲能密度、效率等參數. 對于陶瓷體材料， 電滯回線的測試頻率一般在100 Hz以內[11]. 對于薄膜材料， 由于其測試電壓較低和電極面積較小， 測試頻率可更高， 但也無法達到100 kHz的水平. 因此， 介質上所施加的電場變化速率較慢， 上升或下降時間基本在毫秒量級. 然而， 在許多實際應用中， 鐵電/反鐵電材料均處于快速變化的瞬態電場中. 例如， 脈沖電容器工作時一般經歷較慢的充電過程， 將電能以靜電能的形式儲存， 然后再迅速釋放. 放電過程可達μs甚至ns量級[3，5]. 因此， 反鐵電材料作為電容器介質時，在放電過程中必然會經歷快速的反向“鐵電-反鐵電”(FE-AFE)的相變過程. 此相變過程為電荷和能量釋放的過程. 反鐵電材料的FE-AFE相變若能在短時間內完成， 將有利于電荷和能量的快速釋放. 反鐵電材料用于其他場合時， 如電壓調節器和陰極材料， 也處于快速變化的電場中[7-10].

在上述應用中， 反鐵電材料所處電場的變化速率遠大于一般電滯回線測量時所施加的電場. 因此， 研究反鐵電材料在瞬態電場下的極化過程具有重要的實用價值. 事實上， 研究人員對反鐵電材料在快速瞬變電場下的極化和相變特性也越來越重視. 大量研究結果表明測試頻率對反鐵電材料的電滯回線具有顯著的影響， 反鐵電材料的極化強度、相變電場和電滯損耗都與電滯回線的測試頻率直接相關[12，13]. 而測試頻率的增大意味著所施加的電場變化更快， 但現有電滯回線測試所施加的電場變化速率與實際應用的要求仍相距甚遠.

電滯回線的測量一般基于Sawyer-Tower電路[11]， 其電路示意圖如圖2所示.

圖 2 Sawyer-Tower電路示意圖Fig. 2. Sawyer-Tower circuit.

為了便于分析， 可將標準電容和測試樣品串聯回路簡化為一個電容性負載C， 在正弦交變電壓作用下， 其阻抗為

由(2)式可知， 隨著測試頻率的提高， 電流也會呈正比例提高. 若要反映反鐵電材料在ns到μs級時間范圍內的極化和相變行為， 其對應的測試電源頻率將達到MHz甚至GHz， 所需的電流將非常大.目前已有的電源輸出功率很難同時滿足高電壓、高頻率的要求.

早在1989年， Pan等[14]即通過放電電流曲線研究反鐵電材料的相變特性， 結果表明反鐵電材料的反向FE-AFE相變可在2 μs的時間內發生. 之后， Xu等[15]亦進行了相似的工作， 在 PbLa(Zr，Sn， Ti)O3(PLZST)反鐵電薄膜材料中發現了反向相變時間可達6 ns. Zhang等[16]也發現反鐵電的相變會導致其放電流的非線性增長， 通過放電電流的突增可大致判斷反向相變時間在數百ns的時間范圍. 但通過電流曲線僅能大致判斷反鐵電材料的相變時間， 其他關鍵參數如相變電場、極化曲線等無法獲得.

2001年， Gundel等[17]將上升和下降時間為百ns級的脈沖方波施加在反鐵電材料上， 對電流數值積分得到了極化強度， 然后通過電壓和極化強度數據獲得了鐵電/反鐵電材料的脈沖電滯回線，直接證明了反鐵電材料在快速脈沖電壓下可以發生相變. 之后， 本研究組的李紅剛等[18]利用相似的原理， 測得了PLZST反鐵電陶瓷在脈沖電場下的電滯回線， 證明其AFE-FE和FE-AFE相變可在百ns量級時間內發生. 2016年， 本研究組進一步分析了測試頻率對反鐵電相變電場等參數的影響，獲得了μs量級的脈沖電滯回線， 結果表明反鐵電在脈沖電場下的相變電場和極化強度發生了顯著變化[11].

上述研究結果表明， 反鐵電材料在快速變化的電場下， 極化和相變特性會發生顯著變化， 這對反鐵電材料的應用帶來影響. 因此， 本文將進一步系統地研究反鐵電材料在脈沖電場下的極化過程和相變行為， 并獲得其在脈沖電場下的電滯回線. 利用脈沖電滯回線可得到反鐵電材料在瞬態強電場下的極化強度、相變電場、相變時間等參數及儲能密度的變化規律， 為反鐵電材料的實際應用提供依據.

2 實驗過程

本文的研究對象為PLZST反鐵電陶瓷材料，具體組分為: Pb0.94La0.04[(Zr0.52Sn0.48)0.84Ti0.16]O3.采用傳統的固相合成法制備反鐵電陶瓷樣品: 選取純度大于 99.9% 的 Pb3O4， La2O3， ZrO2， SnO2和TiO2作為原料; 按化學式稱量各原料并經歷球磨、預燒結、二次球磨和壓制成型后， 將樣品在富鉛氛圍下、1320 ℃下燒結2 h; 將燒結成瓷的樣品打磨并燒制銀電極以進行電學測試， 測試樣品的厚度為0.45 mm， 銀電極面積為7.8 mm2. 該組分具有典型的雙電滯回線和較低的相變場， 有利于降低高電壓測試的難度.

脈沖電滯回線的測試采用自行研制的實驗平臺[11]， 如圖3所示. 其基本工作原理為: 利用脈沖電壓發生器產生一個單極性高電壓脈沖， 將此脈沖注入反鐵電陶瓷樣品; 利用高壓探頭和羅氏線圈，并結合示波器， 分別測得電壓波形u(t)和電流波形i(t)，t為時間.

圖 3 脈沖電滯回線測試平臺的電路原理圖Fig. 3. Circuit diagram of the experimental setup for pulse hysteresis loop.

因此， 可獲得反鐵電陶瓷樣品的電場數據E(t)和極化強度數據P(t):

式中d和A分別為陶瓷樣品的厚度和電極面積.根據電場E(t)和極化強度P(t)可獲得反鐵電陶瓷的P-E曲線， 即電滯回線. 由于脈沖電壓發生器產生的是單極性脈沖， 因此通過本實驗裝置只能獲得單極性電滯回線. 同時作為對比， 采用aixACCT公司生產的TF analyzer 2000鐵電測試儀測試其10 Hz電滯回線.

3 實驗結果

3.1 反鐵電陶瓷在μs脈沖下電滯回線

利用脈沖電滯回線測試平臺對PLZST反鐵電陶瓷進行脈沖電場下極化行為的研究. 首先測得脈沖電壓和對應的電流波形， 然后根據電壓波形獲得電場曲線， 對測得的電流曲線進行積分獲得極化強度曲線. 實驗時脈沖電壓幅值從200 V增加至2400 V， 間隔為200 V， 脈沖寬度保持在微秒級范圍內， 部分結果如圖4所示.

由圖 4 可知， 在低場下 (31.11 kV·cm—1以下)，極化強度曲線與電場曲線形狀基本一致， 無滯后現象. 此時極化強度較低， 且與外電場線性相關， 表現出線性介質的特征. 當電場增大至40 kV·cm—1以上時， 反鐵電陶瓷發生電場誘導下的AFE-FE相變， 此時的極化強度突增， 極化強度與電壓曲線出現了顯著的滯后現象， 表現出非線性極化的特征.

由圖4中電場和極化強度曲線可得到反鐵電陶瓷在脈沖電壓下的電滯回線， 同時測得了反鐵電在10 Hz三角波電壓下的電滯回線作為對比， 如圖5所示.

由圖5可知: 當電場幅值為22.22 kV·cm—1時，反鐵電陶瓷的10 Hz與脈沖P-E曲線基本重合，均為直線型; 電場提升至 31.11 kV·cm—1時， 反鐵電陶瓷的10 HzP-E曲線表現出電場誘導AFEFE相變的特征， 脈沖電場下P-E曲線仍然為直線型， 且脈沖電場下的極化強度低于10 Hz電場下對應的極化強度最大值; 電場增大至40.00 kV·cm—1時， 反鐵電陶瓷的10 Hz和脈沖P-E曲線都表現出顯著的AFE-FE相變特征， 極化強度出現突增，但脈沖電場下對應極化強度較低， 且電滯損耗更大;當電場為 53.33 kV·cm—1時， 反鐵電陶瓷的 10 Hz和脈沖P-E曲線均接近飽和， 但相比10 HzP-E曲線， 脈沖P-E曲線的極化強度仍較低， 正向相變電場EAFE-FE較大， 反向相變電場EFE-AFE較低，電滯寬度ΔE和電滯損耗較大.

圖 4 PLZST 在不同電場幅值下極化強度曲線 (a) 22.22 kV·cm—1; (b) 31.11 kV·cm—1; (c) 40 kV·cm—1; (d) 53.33 kV·cm—1Fig. 4. P(t) curves of PLZST under electric field with different amplitudes: (a) 22.22 kV·cm—1; (b) 31.11 kV·cm—1; (c) 40 kV·cm—1;(d) 53.33 kV·cm—1.

圖 5 PLZST 的 10 Hz和脈沖電滯回線 (a) 22.22 kV·cm—1; (b) 31.11 kV·cm—1; (c) 40 kV·cm—1; (d) 53.33 kV·cm—1Fig. 5. 10 Hz and pulse P-E curves of PLZST: (a) 22.22 kV·cm—1; (b) 31.11 kV·cm—1; (c) 40 kV·cm—1; (d) 53.33 kV·cm—1.

PLZST反鐵電陶瓷在10 Hz電場下的極化強度記為P10Hz， 在脈沖電場下的極化強度為Ppulse.由圖5的分析結果可知， 反鐵電陶瓷在10 Hz和脈沖電場下極化強度幅值存在顯著的差異， 定義其差值為 ΔP=P10Hz—Ppulse， 則 ΔP隨電場幅值的變化曲線如圖6所示.

如圖 6所示: 在低電場 (低于 25 kV·cm—1)下，PLZST在10 Hz和脈沖電場下的極化強度差別不大; 而當電場大于 30 kV·cm—1后， 反鐵電陶瓷在10 Hz電場下的極化強度顯著大于其在脈沖電場下極化強度; 且隨著電場的增大， 二者差值增大，在35.56 kV·cm—1時二者的差值ΔP達到最大; 而電場超過35.56 kV·cm—1后， 極化強度的差值減小.因此反鐵電陶瓷在脈沖電場下要獲得相同的極化強度， 所施加的脈沖電場幅值要高于10 Hz電場.電場進一步提高， 反鐵電陶瓷在10 Hz與脈沖電場的極化強度均趨于飽和， 導致二者的差值減小.

圖 6 PLZST在10 Hz與脈沖電場下極化強度差值ΔPFig. 6. ΔP of PLZST under 10 Hz and pulse electric field.

圖5(d)的脈沖電滯回線表明反鐵電陶瓷在相應的脈沖電場誘導下能發生相變， 且與準靜態場下結果表現出顯著的不同: 正向相變場EAFE-FE增大，反向相變場EFE-AFE減小. 為定量地分析PLZST陶瓷相變電場的變化， 此處采用微分介電常數峰值確定相變場強. Feng等[19]在研究PLZST反鐵電陶瓷的介電行為時， 提出利用微分介電常數判斷其相變電場， 其定義為

式中，εd為微分相對介電常數，ε0為真空介電常數，P為極化強度，E為電場強度. 因此， 已知反鐵電陶瓷P-E曲線時， 對其各點求斜率可以計算得微分介電常數，εd峰值對應電場即為相變電場. 在求微分介電常數之前， 首先對P-E曲線先進行多項式擬合， 然后對其求微分， 再根據(5)式計算得微分介電常數 (εr)， 如圖 7 所示.

如圖7所示， 在10 Hz電場和脈沖電場下， 微分介電常數曲線均具有兩個顯著的特征峰， 分別對應反鐵電陶瓷的正向AFE-FE和反向FE-AFE相變， 對應相變電場值如表1所列.

圖 7 PLZST在(a) 10 Hz與(b)脈沖電場下的微分介電常數Fig. 7. Differential permittivity of PLZST under (a) 10 Hz and (b) pulse electric field.

表 1 PLZST在10 Hz與脈沖電場下相變電場Table 1. Phase transition fields of PLZST under 10 Hz and pulse electric field.

如表1所列， 在脈沖電場下， 反鐵電陶瓷正向相變電場EAFE-FE由10 Hz電場下的34.07 kV·cm—1增大至 38.48 kV·cm—1， 這表明在脈沖電場下， 要誘導反鐵電陶瓷為鐵電相， 需要更高幅值的電場; 在電壓降低過程中， 樣品由鐵電相回到初始反鐵電相所需電場值更低. 電滯寬度ΔE由10 Hz電場下的 11.27 kV·cm—1增大至 21.95 kV·cm—1， 增大了約95%， 因此反鐵電陶瓷在脈沖電場下的極化滯后效應更顯著.

根據表1中相變電場值， 由極化電壓波形可推知反鐵電陶瓷發生相變的時間， 如圖8所示.

如圖8所示， 反鐵電正向相變發生在1.5 μs處， 反向相變發生在5.5 μs處. 因此反鐵電陶瓷能在微秒時間范圍內發生正向和反向相變. 此結論為反鐵電陶瓷應用于快放電脈沖電容器、電壓調節器等提供了依據.

圖 8 PLZST在脈沖電場下相變時間Fig. 8. Phase transition time of PLZST under pulse electric field.

3.2 反鐵電陶瓷在脈沖電場下儲能特性

如3.1節中所述， 反鐵電陶瓷在脈沖電場下的電滯回線發生了顯著變化， 包括相變電場、極化強度和電滯寬度等參數. 而上述參數的變化必然會導致其儲能參數的變化， 包括充電過程中儲存能量密度Wst、可恢復能量密度Wre和能量效率η. 實驗中測試了不同電場下 0.1， 1， 10， 50 Hz 和脈沖電滯回線， 通過電滯回線可計算得Wst，Wre，η參數[11]，其中Wst在不同測試條件下隨電場變化曲線如圖9所示.

圖 9 PLZST在0.1—50 Hz及脈沖電場下WstFig. 9. Wst of PLZST under 0.1—50 Hz and pulse electric field.

從圖9可以看出， 反鐵電陶瓷在充電過程中儲存的能量密度Wst在0.1—50 Hz的范圍內并無顯著的變化， 而利用脈沖電滯回線計算得到的Wst與50 Hz以內Wst存在顯著的差異: 低場下(低于22.22 kV·cm—1)脈沖Wst與0.1—50 Hz的Wst基本一致， 這是與圖5(a)所示的兩種電滯回線重合相符合; 相變場附近 (22.22—35.56 kV·cm—1)時， 反鐵電陶瓷在脈沖場下的極化強度顯著低于其在0.1—50 Hz電場下極化強度， 極化強度差值ΔP在 35.56 kV·cm—1時最大， 此階段脈沖場下Wst顯著低于 0.1—50 Hz 的Wst， 且在 35.56 kV·cm—1時二者差值最大; 在高電場下(高于35.56 kV·cm—1)，反鐵電陶瓷在0.1—50 Hz電場和脈沖電場下均能被誘導為鐵電相， 且極化強度趨于飽和， 極化強度差值ΔP逐漸降低， 然而反鐵電陶瓷在脈沖場下的正向相變場EAFE-FE顯著高于其在10 Hz電場下的值， 這對提高Wst是有利的. 此時反鐵電陶瓷在脈沖電場和0.1—50 Hz電場下儲存的能量密度Wst逐步接近， 當電場為 53.33 kV·cm—1時， 二者已經基本一致.

反鐵電陶瓷在0.1—50 Hz和脈沖電場下的可恢復能量密度Wre變化曲線如圖10所示.

圖 10 PLZST在0.1—50 Hz及脈沖電場下WreFig. 10. Wre of PLZST under 0.1—50 Hz and pulse electric field.

如圖10所示， 隨著測試頻率的提高， PLZST反鐵電陶瓷的Wre-E曲線向下移， 特別在高場下Wre降低的程度更為顯著. 在 53.3 kV·cm—1電場下， 由0.1 Hz和50 Hz電滯回線計算所得Wre分別為0.73 J/cm3和0.68 J/cm3， 降低了約7%. 因此，在0.1—50 Hz電場下， 反鐵電相變場和極化強度受電場變化速率的影響， 其儲能特性也會發生變化.

PLZST在脈沖與0.1—50 Hz電場下的Wre差距則更為顯著， 且隨著電場的提高， 差異逐漸變大.這是因為反鐵電陶瓷在脈沖場下最大極化強度Pmax和反向相變電場EFE-AFE均低于其在0.1—50 Hz電場下的值. 而Pmax和EFE-AFE的降低均會導致Wre的降低， 因此， 脈沖場下Wre顯著低于0.1—50 Hz的Wre. 電場幅值為 53.33 kV·cm—1時，10 Hz電場下Wre為0.68 J/cm3， 脈沖電場下Wre為 0.56 J/cm3， 降低了約 20%.

為了衡量反鐵電陶瓷在實際應用中的放電能量密度， 我們進一步測試了在 53.33 kV·cm—1下反鐵電陶瓷的脈沖放電電流曲線i(t)， 如圖11所示.

圖 11 PLZST脈沖放電電流(放電電阻100.4 Ω， 充電電場 53.33 kV·cm—1)Fig. 11. Pulse discharge current curve of PLZST (with a load resistor of 100.4 Ω and charging electric field of 53.33 kV·cm—1).

利用圖11中脈沖放電電流曲線， 通過(6)式可計算得到放電能量密度Wdis:

式中，R為電阻，i為電流，t為時間，V為陶瓷樣品體積. 表2列出了通過10 Hz電滯回線和脈沖電滯回線得到的Wre和放電電流得到的Wdis.

表 2 不同方式計算得PLZST反鐵電陶瓷的儲能參數(53.33 kV·cm—1)Table 2. Energy storage properties of PLZST calculated via different methods (53.33 kV·cm—1).

從表2可以看出， 電場變化快慢對儲存的能量密度Wst影響不大， 但是對釋放的能量密度Wre、放電能量密度Wdis和能量效率η有顯著的影響.10 Hz電滯回線中， 電場從最大值降為零的過程為0.025 s; 脈沖電滯回線中， 電場降為零的過程約為3 μs; 脈沖放電中， 電場降為零的過程不到 1 μs. 結合Wre隨測試頻率增高而降低的事實， 可推斷: 對反鐵電陶瓷， 電場降低過程的快慢對其釋放的能量有關鍵的影響， 此過程越快， 以電能形式釋放的能量越小. 因此， 利用低頻下的電滯回線來衡量反鐵電材料的儲能特性具有一定的局限性， 可恢復能量密度Wre并不能代表其在脈沖放電中能快速釋放的能量密度Wdis， 本實驗中Wdis僅為10 Hz下Wre的54.9%. 此外， 由于脈沖電場下電滯寬度ΔE變大， 導致其電滯損耗增大， 能量效率η由10 Hz電場下的72.3%降低為脈沖電場下的55.5%.

4 討 論

在電介質物理、鐵電物理中， 介質在強電場下的響應一直是研究的難點， 但具有重要的物理意義和實用價值. 特別對于鐵電/反鐵電材料， 其極化反轉、相變等過程必須在強電場激勵下才能實現.因此， 強場下的電滯回線對于鐵電/反鐵電材料具有重要的意義， 它所蘊含的物理信息是小信號介電測量所無法比擬的.

當前電滯回線最大的問題是測試頻率較低， 這給研究鐵電/反鐵電材料極化、相變等隨電場變化的時間響應帶來很大的困難. 鐵電/反鐵電材料的極化、電滯、矯頑場或相變電場等均會隨電滯回線測試頻率的變化而變化， 其本質反映了鐵電/反鐵電材料極化反轉、相變的時間響應[2，20]， 這也是鐵電物理學中的重要現象. 而上述參數對相關材料的實際應用也有重要的意義. 目前， 電滯回線測試頻率一般在1000 Hz以內， 僅能反映上述物理過程在毫秒時間范圍內的響應. 因此， 獲取更高頻率如MHz或GHz的電滯回線具有重要的物理意義和工程價值.

由于高頻電滯回線測試的困難， 學者也嘗試通過其他的方法來研究上述物理過程在更短時間范圍內的響應， 其中脈沖電學測量手段是一種有效的手段. 例如， 學者通過測試鈦酸鋇鐵電晶體的脈沖極化電流， 研究其極化反轉以及電疇生長的過程，該方法已經成為了鐵電物理學中一種經典的實驗手段[2，20]. 2017 年， Chen 等[21]為解決 PMN-PT 壓電單晶高頻矯頑場的測量難題， 通過脈沖法測得了等效頻率高達5 MHz的結果， 為PMT-PT壓電單晶在高頻下的應用提供了重要參考. 對于反鐵電材料， 學者也通過脈沖放電電流， 定性地分析了陶瓷體材料相變時間大致在μs范圍[14]. 但上述方法均未獲得鐵電/反鐵電材料的電滯回線， 獲取的物理信息有限， 對部分結果只能定性的分析.

本文所采用的方法與上述方法在本質上是相似的， 均采用脈沖電學測量的手段， 達到研究反鐵電材料極化、相變隨電場時間響應的目的. 更進一步地， 本研究通過測試方法的改進， 獲取了電滯回線， 提取出更豐富的物理信息. 直接證明了反鐵電材料在微秒時間范圍內的極化、相變的時間響應，并與毫秒范圍內的時間響應進行了對比， 獲得了相變電場、相變時間等關鍵參數的變化規律.

由圖5中的結果可知， 反鐵電到鐵電相變的物理過程需要一定的時間， 當電場變化速率過快時，反鐵電有可能無法完成到鐵電相的轉變. 例如圖5(b)中所示， 反鐵電材料在低頻下已經表現出相變的特征， 而在脈沖電場下依然表現線性介質的特征. 同時， 與鐵電材料的矯頑場和測試頻率相關的現象類似， 反鐵電材料的相變場也受電場變化速率的影響. 本研究中受限于脈沖功率電源的限制，僅能初步證明反鐵電在微秒量級的相變， 且相變參數發生了變化. 若能縮短脈沖電源的電壓上升、下降時間到ns甚至更短時間， 則能更深入地研究反鐵電相變的動態行為. 同時， 反鐵電的相變過程也會受樣品厚度、溫度等物理條件的影響， 它們對反鐵電的相變速度也會產生影響， 這也是后期需要進一步進行的工作.

本研究中脈沖電源周期不可調， 因此僅獲得了單一等效頻率的電滯回線. 若能獲得系列化等效頻率， 如 10 kHz， 100 kHz， 1 MHz 到 1 GHz 范圍內的電滯回線， 將會彌補這一頻段研究的空白， 同時也會驗證反鐵電相變動力學的一些物理模型. 例如， Kim等[12]在研究反鐵電電滯回線的頻率特性時， 建立了電滯面積與測試頻率的關系式， 但其實驗中最大測試頻率僅為1000 Hz， 其建立的物理模型是否能滿足更高頻率還未得到驗證.

因此， 脈沖電滯回線對反鐵電的極化、相變等物理現象的研究具有重要的作用， 它使上述物理過程的研究拓展至微秒甚至納秒時間范圍， 對其實際應用也有重要參考價值. 同時， 本方法也可推廣至鐵電、壓電材料的研究， 對鐵電動力學等的研究也有重要的參考價值.

5 結 論

利用傳統的固相合成法制備了Pb0.94La0.04[(Zr0.52Sn0.48)0.84Ti0.16]O3反鐵電陶瓷， 并建立了脈沖電滯回線測試平臺， 研究了反鐵電陶瓷在微秒脈沖電場下的極化和相變行為. 研究結果表明， 反鐵電陶瓷在微秒級脈沖電場下可以發生相變， 但顯著不同于低頻電場下的極化和相變行為. 其極化強度降低， 正向相變電場提高， 反向相變電場降低， 導致了反鐵電陶瓷的儲能特性發生了顯著變化. 對反鐵電進行了脈沖放電試驗， 進一步證明了低頻電滯回線的局限性. 因此， 脈沖電滯回線對反鐵電陶瓷的實際應用具有重要的參考價值.