铁电薄膜铁电性能的表征

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1、铁电薄膜铁电性能的表征091120***引言:铁电体是这样一类晶体:在一定温度范围内存在自发极化,自发极化具有两个或多个可能的取向,其取向可能随电场而转向.铁电体并不含“铁”,只是它与铁磁体具有磁滞回线相类似,具有电滞回线,因而称为铁电体。在某一温度以上,它为顺电相,无铁电性,其介电常数服从居里-外斯(Curit-Weiss)定律。铁电相与顺电相之间的转变通常称为铁电相变,该温度称为居里温度或居里点Tc。铁电体即使在没有外界电场作用下,内部也会出现极化,这种极化称为自发极化。自发极化的出现是与这一类材料的晶体结构有关的。晶体的对称性可以划分为32种点群

2、。在无中心对称的21种晶体类型种除432点群外其余20种都有压电效应,而这20种压电晶体中又有10种具热释电现象。热释电晶体是具有自发极化的晶体,但因表面电荷的抵偿作用,其极化电矩不能显示出来,只有当温度改变,电矩(即极化强度)发生变化,才能显示固有的极化,这可以通过测量一闭合回路中流动的电荷来观测。热释电就是指改变温度才能显示电极化的现象,铁电体又是热释电晶体中的一小类,其特点就是自发极化强度可因电场作用而反向,因而极化强度和电场E之间形成电滞回线是铁电体的一个主要特性。自发极化可用矢量来描述,自发极化出现在晶体中造成一个特殊的方向。晶体红,每个晶胞

3、中原子的构型使正负电荷重心沿这个特殊方向发生位移,使电荷正负中心不重合,形成电偶极矩。整个晶体在该方向上呈现极性,一端为正,一端为负。在其正负端分别有一层正和负的束缚电荷。束缚电荷产生的电场在晶体内部与极化反向(称为退极化场),使静电能升高,在受机械约束时,伴随着自发极化的应变还将使应变能增加,所以均匀极化的状态是不稳定的,晶体将分成若干小区域,每个小区域称为电畴或畴,畴的间界叫畴壁。畴的出现使晶体的静电能和应变能降低,但畴壁的存在引入了畴壁能。总自由能取极小值的条件决定了电畴的稳定性。实验目的:1、了解铁电参数测试仪的工作原理和使用方法2、了解什么是

4、铁电体,什么是电滞回线及其测量原理和方法。3、了解非挥发铁电随机读取存储器的工作原理及性能表征。实验原理:1、铁电体的特点(1)电滞回线铁电体的极化随外电场的变化而变化,但电场较强时,极化与电场之间呈非线性关系。在电场作用下新畴成核长,畴壁移动,导致极化转向,在电场很弱时,极化线性地依赖于电场见图(12.2-1),此时可逆的畴壁移动成为不可逆的,极化随电场的增加比线性段快。当电场达到相应于B点值时,晶体成为单畴,极化趋于饱和。电场进一步增强时,由于感应极化的增加,总极化仍然有所增大(BC)段。如果趋于饱和后电场减小,极化将循CBD段曲线减小,以致当电场

5、达到零时,晶体仍保留在宏观极化状态,线段OD表示的极化称为剩余极化Pr。将线段CB外推到与极化轴相交于E,则线段OE为饱和自发极化Ps。如果电场反向,极化将随之降低并改变方向,直到电场等于某一值时,极化又将趋于饱和。这一过程如曲线DFG所示,OF所代表的电场是使极化等于零的电场,称为矫顽场 Ec。电场在正负饱和度之间循环一周时,极化与电场的关系如曲线CBDFGHC所示此曲线称为电滞回线。图12.2-2电滞回线的显示电滞回线可以用图12.22-2的装置显示出来(这就是著名的Sawyer-Tower电路),以电晶体作介质的电容Cx上的电压V是加在示波器的水

6、平电极板上,与Cx串联一个恒定电容Cy(即普通电容),Cy上的电压Vy加在示波器的垂直电极板上,很容易证明Vy与铁电体的极化强度P成正比,因而示波器显示的图象,纵坐标反映P的变化,而横坐标Vx与加在铁电体上外电场强成正比,因而就可直接观测到P-E的电滞回线。下面证明Vy和P的正比关系,因(12.2-1)式中为图中电源V的角频率为铁电体的介电常数,为真空的介电常数,S为平板电容的面积,为平行平板间距离,代入(12.2-1)式得:(12.2-2)根据电磁学(12.2-3)对于铁电体1,固有后一近似等式,代入(12.2-2)式,(12.2-4)因与都是常数,

7、故与成正比。(2)居里点Tc当温度高于某一临界温度Tc时,晶体的铁电性消失。这一温度称为铁电体的居里点。由于铁电体的消失或出现总是伴随着晶格结构的转变,所以是个相变过程,已发现铁电体存在两种相变:一级相变伴随着潜热的产生,二级相变呈现比热的突变,而无潜热发生,又铁电相中自发极化总是和电致形变联系在一起,所以铁电相的晶格结构的对称性要比非铁电相为低。如果晶体具有两个或多个铁电相时,最高的一个相变温度称为居里点,其它则称为转变温度。(3)居里-外斯定律由于极化的非线性,铁电体的介电常数不是常数,而是依赖于外加电场的,一般以OA曲线(图12.2-1)在原点的

8、斜率代表介电常数,即在测量介电常数时,所加外电场很小,铁电体在转变温度附近时,介电常数具有很大

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