[发明专利]一种基于椭偏仪的铁电材料居里点的测量方法

说明书

技术领域

本发明属于热学测量技术领域，具体涉及一种利用椭偏仪测量铁电材料居里点的方法。

背景技术

精确测量铁电材料的居里点是研究铁电材料性质的重要技术。当铁电材料的温度低于居里点时，铁电材料处于铁电相，具有优良的铁电性；而当温度高于居里点时，铁电材料的铁电性消失，处于顺电相，与一般的线性介质材料无异。这样居里点直接决定了铁电集成器件的实际最高工作温度。传统的测量铁电材料居里点的方法基于铁电材料电滞回线的测量：改变铁电材料温度下，测量其电滞回线，当电滞回线消失时对应的温度为居里温度（居里点）。这种方法虽然直观却避免不了破坏铁电材料的上表面，因为电滞回线的测量需要在铁电材料上下表面生长上下电极。不仅如此，这种方法很多时候由于铁电材料的漏电流过大而无法测量。而椭圆偏振光谱仪（椭偏仪）是一种非接触、非破坏、快速的测量方法，它能够通过测量经样品反射后偏振光的偏振态的改变精确得到样品的光学特性，这样的测量方式就完全不需要上下电极，不仅避免了由于漏电流而无法测量居里点的尴尬，而且还消除了铁电材料与金属电极间“死区层”的影响。这些优势使该方法几乎适用于所有铁电材料的居里点的测量。因此本发明利用椭偏仪可以在不同温度下实时测量铁电材料的光学常数，通过光学常数的变化反映铁电材料晶体结构的变化，即从铁电相至顺电相的转变，对应的转变温度即为测量所需的铁电材料居里点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够非破坏、快速及精确测量铁电材料居里点的方法。

本发明所提供的基于椭偏仪的铁电材料居里点的测量方法，其具体测量步骤如下：

（1）首先，利用反射式椭偏仪测量不同温度下铁电材料的p光、s光的反射率的比值tanΨ和相位延迟Δ；

（2）然后通过测量得到的椭偏参数Ψ、Δ，计算出材料的折射率n、消光系数k以及介电常数ε₁、ε₂；

对于体材料，可以通过以下公式求得：

                                               （1）

                   （2）

                                   （3）

                                   （4）

其中ρ是个中间变量，e是自然底数，θ 为入射角，ε₀为空气介电常数；

（3）计算光学常数随温度的变化率，dΨ/dT、dΔ/dT、dn/dT、dk/dT、dε₁/dT和dε₂/dT；

（4）比较光学常数随温度的变化谱，以及变化率随温度的变化谱，通过观察突变来确定被测铁电材料的居里点。

本发明利用光学测量方法的非接触、非破坏、快速的特点，基于材料的光学性质与结构有密不可分的关系，而铁电材料从铁电相变到顺电相的本质是其晶体结构发生改变。该方法主要利用椭偏仪测量被测样品的光学常数，通过光学常数的改变来反映铁电材料晶体结构的改变，从而得到铁电材料的居里点。

本发明方法的基本原理如下：

一束已知偏振态的信号光入射到被测铁电样品表面，光束与样品发生作用，使得发射光的偏振态发生变化（本系统为由线偏振变为椭圆偏振态）。因为光的偏振态变化与样品结构有密切关系，通过测量偏振态的变化，即可反演获得样品的结构信息。而结构信息最直接的反映就是材料的光学常数。利用椭偏仪，就可以测量不同温度下铁电材料的光学常数。因为温度可以影响材料中电子与声子的能量，从而影响光子与电声子的相互作用，进而改变材料的光学特性，所以材料的光学常数随温度变化而变化。这种变化取决于材料本身的性质，一般来说，对于铁电材料，其光学常数随温度的变化主要取决于电子跃迁以及晶格振动随温度的变化。然而铁电材料从铁电相转变为顺电相，是结构上发生了本质的变化，即其晶体中偶极子从极化有序转变为极化无序，也就是温度可以破坏铁电材料中偶极子排列的有序性。当铁电材料中偶极子处于完全无序状态，宏观上表现为剩余极化强度为零，即铁电性消失，电学上已经无法测量到电滞回线，其对应的完全破坏温度即为铁电材料的居里点。因此铁电材料的光学常数随温度的变化曲线会在居里点处发生突变。利用这种原理，通过观察该突变的发生，从而能够确定铁电材料的居里点。如图1所示。

本发明优点在于可快速、非破坏、精确测量铁电材料的居里点，在物理、化学、生物医学、坏境科学等众多领域具有广泛的应用前景。