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研究生： 盧忠泰
Lu, Zong-Tai
論文名稱： 溫度與電場對Ce和Cr添加的SBN50域壁動力學機制的影響
the effect of temperature and electric field on domain wall dynamics of Ce and Cr doped SBN50
指導教授： 方滄澤
Fang, Tsang-Tse
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 材料科學及工程學系
Department of Materials Science and Engineering
論文出版年： 2012
畢業學年度： 100
語文別： 中文
論文頁數： 105
中文關鍵詞： 鍶鋇鈮 、電域壁 、域壁動力學 、介電分析圖
外文關鍵詞： SrXBa1-xNb2O6, domain wall, domain wall dynamics, cole cole plot
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    • 鍶鋇鈮SrXBa1-xNb2O6是近來很有潛力的電子陶瓷材料，其結構為正方鎢青銅，且為非中心對稱的鐵電材料。而關於鍶鋇鈮單晶在工業上的應用已相當廣泛，歸因於成長技術及性質已被詳細的研究，目前主要使用(Czoxhralski method)，此技術擁有最高的線性光電係數、高的焦電係數以及良好的光折射效應。但由於單晶材料在實際應用上依然又到許多的限制，如形狀、大小、機械強度等，因此開發多晶鍶鋇鈮陶瓷是必然的趨勢。
    本實驗將利用Cole Cole plot來深入探討SBN50在交流電場下其域壁動力學的機制，並分析在不同溫度與電場下的影響，對於電域壁移動的影響，再進一步探討機制中relaxation以及creep區段中各參數所代表的意義。

    Strontium barium niobate ( SBN ) is a potential electronic ceramic material recently, which has Tetragonal Tungsten Bronze(TTB) structure.and is a non centro-symmerty ferroelectrics . Single SBN has been widely used in industry because of its growth technology and detailed study of its property. Now SBN uses CZ method to growth which has the highest linear electro-optical coefficient、pyroelectric coefficient and good photorefractive effect. Though the limit of single crystal property in practical use ,like shape , size, or hardness. Hence it is necessary to develop SBN ceramic.
    Our experiment will use cole cole plot to study the domain wall dynamics of SBN50 under ac field, and analyze effect of temperature and electric field on domain wall dynamics. Finally , we will discuss the physical meaning of the parameter in creep and relaxation part.

    目錄 摘要 I Abstract II 圖目錄 V 表目錄 IX 第一章 緒論 1 1-1 前言 1 1-2 研究目的 2 第二章 文獻回顧與理論基礎 3 2-1 SBN結構[1] 3 2-2 介電理論 5 2-2-1介電常數(dielectric constant) 5 2.2.2 介電損失 7 2.2.3 極化的種類 10 2-3 鬆弛時間 ( relaxation time ) 13 2-4 電域(domain) 19 2-5 SBN的relaxor性質[8] 20 2-6 Random fields(RFs) 23 2-6-1 純SBN的Random fields(RFS)[9] 23 2-6-2 有添加物SBN的Random Fields(RFS) 24 2-7 PNRs的來源與發展[12] 26 2-8 DC電場下的域壁動力學 27 2-9 AC電場下的域壁動力學[21] 29 2-10 Domain wall dynamics[27] 33 第三章 實驗方法與步驟 36 3-1 實驗藥品 36 3-2 實驗流程 36 3-2-1 試片製備 37 3-2-2試片研磨 37 3-2-3 電極 37 3-2-4 介電性質分析 38 3-2-5 Relaxation與Creep的公式擬合 38 3-2-6 Relaxation與Creep 模型的模擬 39 3-2-7 relaxation 與 creep的活化能探討 39 第四章 結果與討論 44 4-1 Cole-Cole Plot 分析 44 4-1-1 undoped SBN50 44 4-1-2 SBN50 Ce2.0 46 4-1-3 SBN50 Ce1.0 48 4-1-4 SBN50 Cr1.0 49 4-1-5 SBN50 Cr0.5 51 4-2 臨界頻率 53 4-3 Relaxation與Creep的公式擬合 53 4-3-1 undoped SBN 50 54 4-3-2 SBN50 Ce 2.0 61 4-3-3 SBN50 Ce 1.0 65 4-3-4 SBN50 Cr 1.0 70 4-3-5 SBN50 Cr 0.5 77 4-4 擬合參數的討論 81 4-4-1 α 81 4-4-2 relaxation區段的τ隨溫度的變化 85 4-4-3β值隨溫度的變化 88 4-4-4creep區段的τ隨溫度的變化 91 4-5活化能的探討 93 4-5-1 Creep部分的活化能 94 4-5-2 Relaxation部分的活化能 95 4-6 電場對電域壁移動機制的影響 95 第五章 結論 103 第六章 參考文獻 104   圖目錄 圖2- 1 SBN在(001)平面的投影[3] 4 圖2- 2 SBN之鎢青銅結構中，各離子之配位結構，(A) NBO6八面體之B1結構，(B) NB6八面體之B2結構，[4](C) SR在A1位置的配位結構，(D) SR/BA在A2位置的配位結構，(E) C位置的配位結構。[5] 5 圖2- 3 外加電場下介電材料放入平行板電容器之電荷分離現象 9 圖2- 4 電容器的充電電流與損失電流 10 圖2- 5 四種極化機構之示意圖[6] 12 圖2- 6 材料極化頻率圖 13 圖2- 7 頻率影響極化機制的介電常數和介電損失之示意圖 14 圖2- 8 理想電容器的充電和電流流動行為 17 圖2- 9 真實電容器的充電和電流流動行為 17 圖2- 10 在只有一鬆弛時間的簡單鬆弛過程中，相對介電常數、相對介電值導電度及相對損失因子與頻率之間的關係圖 18 圖2- 11 [7] 鈦酸鋇( A )多晶結構與其( B )晶域之示意圖 20 圖2- 12 不同組成的SBN在頻率1KHZ下，介電常數對溫度的變化 22 圖2- 13 內部電場影響示意圖，橢圓表示鐵電電域，小圓表示電荷載子，(A) 電荷載子及電域在場域冷卻( FIELD COOLING )時，隨著外加電場的極化翻轉(B) 室溫下，電域極化方向的改變並不影響電荷載子原本的配置，(C) 加熱後，電域消失，但電荷載子仍然存在，(D) 冷卻下來，即使無外加電場，形成的電域仍跟隨電荷載子的配置排列。[19] 25 圖2- 14 兩種形成PNRS不同模型[12] 27 圖2- 15 外加場與域壁的移動速度關係，在溫度等於零時，域壁會有牽制現象發生，而溫度大於零時則會有域壁移動的情形發生 29 圖2- 16(A)域壁在AC電場下的動力學相圖;位能形勢與域壁的移動機制關係:(B)為域壁一開始存在(C)為域壁一開始不存在 32 圖2- 17 域壁移動機制的COLE-COLE PLOT: (R)為RELAXATION (C)為CREEP (SL)為SLIDE(SW)為SWITCHING 34 圖3- 1 粉末製備流程圖 40 圖3- 2 油壓機示意圖 41 圖3- 3 試片準備流程圖 41 圖3- 4 阻抗分析量測系統 42 圖3- 5 數據分析流程 43 圖4- 1 UNDOPED SBN50 300K-350K COLE COLE PLOT 45 圖4- 2 UNDOPED SBN50 360K-420K COLE COLE PLOT 46 圖4- 3 SBN50 CE2.0 300K-330K COLE COLE PLOT 47 圖4- 4 SBN50 CE2.0 340K-370K COLE COLE PLOT 47 圖4- 5 SBN50 CE1.0 300K-340K COLE COLE 48 圖4- 6 SBN50 CE1.0 350K-390K COLE COLE PLOT 49 圖4- 7 SBN50 CR1.0 300K-350K COLE COLE PLOT 50 圖4- 8 SBN50 CR1.0 360K-420K COLE COLE PLOT 50 圖4- 9 SBN50 CR0.5 300K-340K COLE COLE PLOT 51 圖4- 10 SBN50 CR0.5 360K-420K COLE COLE PLOT 52 圖4- 11 UNDOPED SBN50 300K SIMULATION COLE COLE PLOT 54 圖4- 12 UNDOPED SBN50 310K SIMULATION COLE COLE PLOT 55 圖4- 13 UNDOPED SBN50 320K SIMULATION COLE COLE PLOT 55 圖4- 14 UNDOPED SBN50 320K SIMULATION COLE COLE PLOT 56 圖4- 15 UNDOPED SBN50 340K SIMULATION COLE COLE PLOT 56 圖4- 16 UNDOPED SBN50 350K SIMULATION COLE COLE PLOT 57 圖4- 17 UNDOPED SBN50 360K SIMULATION COLE COLE PLOT 57 圖4- 18 UNDOPED SBN50 370K SIMULATION COLE COLE PLOT 58 圖4- 19 UNDOPED SBN50 380K SIMULATION COLE COLE PLOT 58 圖4- 20 UNDOPED SBN50 390K SIMULATION COLE COLE PLOT 59 圖4- 21 UNDOPED SBN50 410K SIMULATION COLE COLE PLOT 59 圖4- 22 UNDOPED SBN50 420K SIMULATION COLE COLE PLOT 60 圖4- 23 SBN CE2.0 300K SIMULATION COLE COLE PLOT 61 圖4- 24 SBN CE2.0 310K SIMULATION COLE COLE PLOT 61 圖4- 25 SBN CE2.0 320K SIMULATION COLE COLE PLOT 62 圖4- 26 SBN CE2.0 330K SIMULATION COLE COLE PLOT 62 圖4- 27 SBN CE2.0 340K SIMULATION COLE COLE PLOT 63 圖4- 28 SBN CE2.0 350K SIMULATION COLE COLE PLOT 63 圖4- 29 SBN CE2.0 360K SIMULATION COLE COLE PLOT 64 圖4- 30 SBN CE1.0 300K SIMULATION COLE COLE PLOT 65 圖4- 31 SBN CE1.0 310K SIMULATION COLE COLE PLOT 65 圖4- 32 SBN CE1.0 320K SIMULATION COLE COLE PLOT 66 圖4- 33 SBN CE1.0 330K SIMULATION COLE COLE PLOT 66 圖4- 34 SBN CE1.0 340K SIMULATION COLE COLE PLOT 67 圖4- 35 SBN CE1.0 350K SIMULATION COLE COLE PLOT 67 圖4- 36 SBN CE1.0 360K SIMULATION COLE COLE PLOT 68 圖4- 37 SBN CE1.0 370K SIMULATION COLE COLE PLOT 68 圖4- 38 SBN CE1.0 380K SIMULATION COLE COLE PLOT 69 圖4- 39 SBN CE1.0 390K SIMULATION COLE COLE PLOT 69 圖4- 40 SBN CR1.0 300K SIMULATION COLE COLE PLOT 70 圖4- 41 SBN CR1.0 310K SIMULATION COLE COLE PLOT 70 圖4- 42 SBN CR1.0 320K SIMULATION COLE COLE PLOT 71 圖4- 43 SBN CR1.0 330K SIMULATION COLE COLE PLOT 71 圖4- 44 SBN CR1.0 340K SIMULATION COLE COLE PLOT 72 圖4- 45 SBN CR1.0 350K SIMULATION COLE COLE PLOT 72 圖4- 46 SBN CR1.0 360K SIMULATION COLE COLE PLOT 73 圖4- 47 SBN CR1.0 370K SIMULATION COLE COLE PLOT 73 圖4- 48 SBN CR1.0 380K SIMULATION COLE COLE PLOT 74 圖4- 49 SBN CR1.0 390K SIMULATION COLE COLE PLOT 74 圖4- 50 SBN CR1.0 400K SIMULATION COLE COLE PLOT 75 圖4- 51 SBN CR1.0 410K SIMULATION COLE COLE PLOT 75 圖4- 52 SBN CR1.0 420K SIMULATION COLE COLE PLOT 76 圖4- 53 SBN CR0.5 300K SIMULATION COLE COLE PLOT 77 圖4- 54 SBN CR0.5 310K SIMULATION COLE COLE PLOT 77 圖4- 55 SBN CR0.5 320K SIMULATION COLE COLE PLOT 78 圖4- 56 SBN CR0.5 330K SIMULATION COLE COLE PLOT 78 圖4- 57 SBN CR0.5 340K SIMULATION COLE COLE PLOT 79 圖4- 58 SBN CR0.5 350K SIMULATION COLE COLE PLOT 79 圖4- 59 SBN CR0.5 360K SIMULATION COLE COLE PLOT 80 圖4- 60 SBN CR0.5 370K SIMULATION COLE COLE PLOT 80 圖4- 61 SBN CR0.5 380K SIMULATION COLE COLE PLOT 81 圖4- 62 UNDOPED SBN50 Α VS 溫度 82 圖4- 63 SBN50 CE2.0 Α VS 溫度 83 圖4- 64 SBN50 CE1.0 Α VS 溫度 83 圖4- 65 SBN50 CR0.5 Α VS 溫度 84 圖4- 66 SBN50 CR1.0 Α VS 溫度 84 圖4- 67 UNDOPED SBN50 RELAXATION Τ FROM 300K-420K 85 圖4- 68 SBN50 CE2.0 RELAXATION Τ FROM 300K-420K 86 圖4- 69 SBN50 CE1.0 RELAXATION Τ FROM 300K-390K 86 圖4- 70 SBN50 CR1.0 RELAXATION Τ FROM 300K-420K 87 圖4- 71 SBN50 CR0.5 RELAXATION Τ FROM 300K-380K 87 圖4- 72 UNDOPED SBN50 Β FROM 300-420K 89 圖4- 73 SBN50 CE 1.0 Β FROM 300-390K 89 圖4- 74 SBN50 CE 2.0 Β FROM 300-370K 90 圖4- 75 SBN50 CR 0.5 Β FROM 300-330K 90 圖4- 76 UNDOPED SBN50 CREEP Τ FROM 300K-350K 91 圖4- 77 SBN50 CE 1.0 CREEP Τ FROM 300K-350K 92 圖4- 78 SBN50 CE 2.0 CREEP Τ FROM 310K-350K 92 圖4- 79 SBN50 CR 0.5 CREEP Τ FROM 310K-350K 93 圖4- 80 SBN CE2.0 在不同電場下的COLE COLE PLOT，INSET為CREEP區段的放大圖 97 圖4- 81 UNDOPED SBN在不同電場下的COLE COLE PLOT，INSET為CREEP區段的放大圖 98 圖4- 82 SBN CR1.0 在不同電場下的COLE COLE PLOT 99 圖4- 83 SBN CR1.0 在不同電場下的CREEP區段放大圖 99 圖4- 84 UNDOPED SBN50在不同電場下 介電常數虛部對頻率作圖 100 圖4- 85 UNDOPED SBN50 在不同電場下CREEP區段的RELAXATION TIME 100 圖4- 86 SBN50 CE 2.0 在不同電場下CREEP區段的RELAXATION TIME 101 圖4- 87 SBN CR0.5 在不同電場下的COLE COLE PLOT 102 表目錄 表4- 1 各成分的SBN50 TM 52 表4- 2 各成分SBN50其臨界轉換頻率 53 表4- 3 為不同成分的SBN50在300K的Α值 85 表4- 4 同成分的SBN50在CREEP區段的活化能 94 表4- 5不同成分的SBN50在RELAXATION區段的Τ以及活化能 95 表4- 6 SBN50 CR0.5在不同電場下其CREEP段的ACTIVATION ENERGY 102

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