高压放大器在高温周期极化实时监测过程研究中的应用

实验名称：高温周期极化实时监测过程

实验目的：通过研宄MgO：LN晶体在高温作用下的自发极化强度、矫顽场、畴生长速率模型，探索了高温对其铁电畴反转特性的影响；此外，设计并构建了一套用于高温下外加电场极化法制备PPLN晶体的实时监测系统。利用了氧化铟锡（ITO）电极的透明特性，使用电光成像法监测畴生长的实时状态，并结合实时监测系统的监测结果，讨论了在不同极化状态下的畴成核和畴生长过程，补充了铁电畴反转的宏观模型。

测试设备：高压放大器、信号发生器、示波器等。

实验过程：

图1：周期极化装置示意图

首先进行极化样品的制备，制备过程主要包括涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、腐蚀、划片。晶片通过光刻后，在其+Z面制备得到了预先设计的周期性电极，然后在其-Z面镀上均匀电极用作后续的周期极化过程。图1所示的是周期极化装置示意图。信号发生器将设置好的极化电压波形通过高压放大器施加到晶体正负Z面，与此同时，利用高精度示波器，检测高压放大器的输出电压，并通过串联电阻监测通过晶体的极化电流。

实验结果：

图2：常温下获得的PPLN晶体的光学显微镜照片及畴合并原理：(a)PPLN晶体+Z面光学显微镜照片；(b)PPLN晶体Ｙ面光学显微镜照片；(c)常温金属电极法极化MgO：LN晶体畴合并原理

常温极化下，极化时间内电荷转移量远远大于晶体发生极化反转所需的电荷转移，说明晶体内部存在畴过度极化，而畴过度极化会引起反转畴合并现象。极化过程完成后使用HF对晶体进行腐蚀，用光学显微镜观察畴结构。如图2(a)(b)所示，所获得的PPLN的+Z面和Y面均发生了大面积的合并，反转畴几乎全部占据了整个晶体+Z面。造成晶体畴合并的原理图如图2(c)所示，由专家提出的畴反转动力学模型，极化反转的第一阶段是反转畴在电极边缘成核，然后同时进行反转畴的横向和纵向生长，由于过高的极化电压导致畴横向和扩张生长速度加快，会使得一部分反转畴更早地贯穿至晶体-Z面。有研宄发现，MgO：LN晶体发生极化反转后，极化反转区域的电阻率将从6*1013Ω·cm降低至7*107Ω·cm。这种显著的电阻率变化将导致极化过程中更容易使畴在已经极化反转的区域发生扩张，加剧了该区域反转畴的横向扩张，造成相邻电极间的反转畴合并，当反转畴纵向生长贯穿晶体时，畴的横向扩张就己经很严重了，形成了图2所示的晶体畴结构不均匀，畴合并严重的现象，所以这种反转畴的非均匀生长会严重影响周期极化的质量。

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审核编辑 黄宇