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钽酸锂薄膜对强磁场的异常响应
微波脉冲由于脉冲强度在很宽的范围内变化而受到短的微波脉冲的影响。我们从
微弱的微波脉冲只会导致微小的热释电峰响应。然而，当
微波脉冲变得强烈，通常预期的热释电信号似乎被抑制
电压信号的符号甚至可以完全改变。分析表明
传统的热释电模型是一个线性模型，在小范围内适用于我们的数据
在大信号状态下，它不再工作了。因为小信号模型是
基于热释电效应的电磁波传感器的关键基础
红外探测器，在这项工作中的观察表明，使用时应谨慎
这些装置在激烈的领域。另外，探测器信号相对于激励的演化
结果表明，在大信号区，主要的极化过程发生了变化。这是
对于理解晶体固体如何与强磁场相互作用至关重要
微波炉。讨论了非线性行为的可能原因。
关键词：电介质；热释电效应；铁电材料；LiTaO3；极化
1介绍
介质材料对电磁波的响应一直是研究的重点
物理学研究领域。到目前为止，关于如何解决这一问题，已经建立了一个比较完整的理论框架
它们对微弱和强烈的激光、微弱的微波和静态或缓慢变化的电能做出反应
然而，人们对它们对强微波的反应知之甚少。这是
部分原因是，传统上，了解这些材料的小信号响应对于大多数人来说是足够的
实际应用，如微波通信[2–5]，以及这类通信所需的设施
实验（例如，高功率输出的微波源和微波室）很复杂
而且很贵。另一个原因是微波的特征频率更低
比晶体固体中的软声子，使许多研究人员认为它们可能具有有限的
能够造成尚未为人所知的影响。然而，在这项工作中，我们表明
微波脉冲确实是在LiTaO3薄膜样品上产生的，LiTaO3是一种广泛使用的介质和材料
热释电材料的介电响应不仅是新的，而且在理论上具有挑战性。
LiTaO3是一种应用广泛的材料，但它的许多基本性质
仍然没有完全被描述和理解。这项工作的重点是材料的反应
微波极化兴奋。到从一个容易理解的点开始，我们从
在弱微波脉冲激励下，样品的峰值场强逐渐增大，样品的
结果表明，在小信号情况下，传统的理论模型是足够的
解释数据；然而，在大信号情况下，情况并非如此。结果是
材料2019，123588；内政部：10.3390/ma12213588www.mdpi.com/journal/materials
材料2019，12，3588第2页，共9页
信号状态是重要的，因为它关系到对极化的基本理解
晶体介电材料的机理。作为瞬间电场强度的区域
而非线性声子与固体的相互作用越来越受到人们的关注[6,7]，这项工作可以
可能会导致在这个方向上的一系列后续工作。在实践中，本文的研究成果也具有一定的指导意义
重要的是，它们表明在使用基于热释电效应的设备时需要谨慎
适用于电磁波检测等大信号输入可能会引起干扰的场合
可能遇到。
2材料和方法
在这项工作中选择的材料，锂，是一种热释电和铁电材料，它具有
广泛应用于火灾警报、激光能量计、红外（IF）热探测器等领域
成像、辐射计和能量收集[8–12]，这是所有这些技术的共同原理
是热释电效应，一种几十年前就解释过的效应[8,13,14]。材料是
电光特性也使得它的许多应用成为可能，例如用作电光
水晶。尽管成功了在这项工作中选择的材料，锂，是一种热释电和铁电材料，它具有
广泛应用于火灾警报、激光能量计、红外（IF）热探测器等领域
成像、辐射计和能量收集[8–12]，这是所有这些技术的共同原理
是热释电效应，一种几十年前就解释过的效应[8,13,14]。材料是
电光特性也使得它的许多应用成为可能，例如用作电光
水晶。尽管LiTaO3在广泛的领域得到了成功的应用，但它还远未达到饱和
从它的基本性质来理解。关于外场的极化过程，
这种材料本身和类似的化合物，如LiNbO3，是研究电介质的良好平台
铁电现象[15–17]。
本工作中使用了一种由极化单晶制成的LiTaO3薄膜样品
厚度为20 m。每个宽边涂有一层薄薄的金黑色层（厚度为 100 nm），如图所示
监测表面电荷变化的导电电极。样品准备好了
使其自发极化方向垂直于薄膜表面。事件
微波的方向也垂直于薄膜表面。如下图所示
图1为读出样品在微波激励下的极化响应，一个带有
电阻RL与样品平行添加，并监测穿过样品的电位差
然后由增益G=33.4db的低噪声放大器（LNA）放大。电阻器RL
也伴随着寄生电容CL；然而，它在数学上可以忽略，因为
其值远小于薄膜样品及其导电涂层形成的电容器的值
层。通过将这些元件集成在一起，基本上就可以得到一个薄膜探测器和参数
探测器的结构如表1所示。为了研究探测器对微波脉冲的响应，需要确保只有
LiTaO3探测器的功能表面可以暴露在入射微波束中，因为
入射光束与布线或装置的其他部分之间的耦合很容易导致
不需要的信号。为了确保这一点，探测器被一个铝罐屏蔽，铝罐有一个圆形外壳
使探测器的功能表面暴露在入射微波束中的窗口
如图1的面板（b）所示。探测器的电池电源和必要的接线也需要安装
适当的屏蔽，因此一个更大的铝盒适用于容纳他们（由红色指示）
图1面板（b）中的框）。在屏蔽盒的背面，安装了一个同轴连接器
使探测器的电压信号通过屏蔽电缆传输到示波器。
探测器和屏蔽盒置于微波室内，并位于远端
与微波发生器相连的天线的场区。天线的位置
微波发生器如图1的面板（b）所示。后者在S波段工作
（2.8ghz）并能提供高达1MW的峰值功率的短微波脉冲
脉冲持续几微秒，是强微波束的来源。当微波炉
光束散落在探测器上，探测器的输出由示波器读取和记录
放在微波室旁边的独立屏蔽室里。
三。结果与讨论
正如第一节所提到的，从一个容易理解的点开始，我们开始
微波脉冲相对较弱。图2a显示了探测器的输出电压作为一个函数
当入射微波脉冲tp的持续时间保持在2.2秒，而它们的峰值
Emax值在1.33 kV/m和4.36 kV/m之间变化。图2b显示了
输出电压Vmax和Emax的最大值，它明显是线性的。这种线性关系表明
探测器的恒定电压响应度，这是预期的。由于
传统的热释电模型足以定量地解释它，如下所述。
为了定量地解释观测到的响应度，需要应用方程（1）–（3），其中
共同构成热释电探测器的数学描述[13]。
Cth公司
dT（吨）
日期
+GthT（t）=hF（t）（1）
Ip（t）=帕
dT（吨）
日期
(2)
C级
dV（t）
日期
+
电压（t）
右
=Ip（t）（3）
方程（1）描述了辐射通量F（t）如何改变探测器的温度t（t），
式中，Cth和Gth表示探测器的热容量和热导率
h为吸收系数。方程（2）描述了热释电效应，其中
探测器的温度变化导致净电流I（t）通过电极。
材料2019，12，3588第4页，共9页
式（2）中，p是LiTaO3的热释电系数，A是LiTaO3薄膜的表面积。
方程（3）描述了输出电压V（t）和电流I（t）之间的关系，
式中，RL表示连接至LiTaO3薄膜电容器的电阻器的电阻，G表示
随后低噪声放大器的增益。
图2。钽酸锂探测器对短矩形波电压响应的测量和计算
微波响应，其持续时间保持在2.2秒，而幅度变化。在（a）中，七
曲线表示低于或等于7个不同峰值场幅值的电压响应
分别为4.36 kV/m。（b） 显示了最大输出电压和最大输出电压之间的线性关系
以及入射脉冲的峰值大小。（c） 给出了探测器性能的理论预测
对4.36 kV/m脉冲的电压响应（吸收系数h=12%），其幅值
与图2a中的红色曲线一致。
辐射通量F（t）可以用相邻天线的实测功率来计算
对探测器和钽酸锂薄膜的表面积。在已知F（t）和h的情况下，方程（1）–（3）可以是
使用表1中列出的探测器参数进行计算。对于短矩形微波炉
脉冲，例如当Emax=4.36 kV/m和tp=2.2 s时，计算的电压响应
考虑到放大器的增益，如图2c所示，假设h=12%。可以看出
在假定h的情况下，计算的电压响应幅值与测量值一致
如图2a中红色曲线所示。如此低的吸收系数并非不合理
有两个原因。一种是，对于穿透薄电极层的微波部分，
很少被吸收，因为LiTaO3的损耗角正切小于0.1%[18]。第二是能量
被电极吸收的不多，因为入射微波的波长很小 |
