铁电薄膜铁电性能的表征-南京大学.docx

《铁电薄膜铁电性能的表征-南京大学.docx》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、铁电薄膜铁电性能的表征一、实验目的1、了解什么是铁电体，什么是电滞回线及其测量原理和方法；2、了解非挥发铁电随机读取存储器的工作原理及性能表征。二、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

2、曲线减小，以致当电场达到零时，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1铁电体的电滞回线图2测量电路图电滞回线可以用图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Vx是加在示波器的水平

3、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VyVx=1ωCy1ωCx=CxCy式中ω为图中电源V的角频率；Cx=ϵε0Sd，ϵ为铁电体的介电常数，ε0为真空的介电常数，S为平板电容Cx的面积，d为平行平板间距离，代入上式得：Vy=CxCyVx=ϵε0SCyVxd=ϵε0SCyE根据电磁学P=ε0ϵ-1E≈ε0ϵE=ε0χE对于铁

4、电体，ϵ≫1，故有后一近似等式，代入上式，Vy=SCyP因S与Cy都是常数，故Vy与P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

5、数，而是依赖于外加电场的，一般以OA曲线（图1）在原点的斜率代表介电常数，即在测量介电常数ϵ时，所加外电场很小，铁电体在转变温度附近时，介电常数具有很大的数值，数量级达104~105。当温度高于居里点时，介电常数随温度变化的关系为ϵ=CT-T0+ϵ02、铁电体和铁电存储的应用铁电体具有介电、压电、热释电、铁电性质以及与之相关的电致伸缩性质、非线性光学性质、电光性质、声光性质、光折变性质、铁电记忆存储性能等等，都与其电极化性质相关，特别是电介质的热释电与铁电性质都与其自发极化相关。由于铁电体具有上述性质，因而在诸多高技术中有着很重要的应用。利用其压电性能可制作电声换能器

6、，用于超声波探测，声纳，振谐器，声表面波器件等；利用其热释电性质可制作红外探测器，红外监视器，热成像系统等；利用非线性光学效应可制作激光倍频、三倍频、和频、差频器；利用电光性质可制作激光电光开关、光偏转器、光调制器等；利用声光效应可制作激光声光开关、声光偏转器、声光调制器等；利用光折变效应可制作光存储器件；而铁电材料的铁电性可制作铁电记忆存储器。3、铁电存储应用铁电记忆存储器是利用铁电体所具有的电滞回线性质。如图1所示，当加到铁电体上电场为零时，铁电体上仍保持有一定的极化强度Pr（或-Pr），这个极化电荷的符号取决于该电体上原加场的符号。若原来加的正场，则当外场变为零

7、场时，铁电体上为正的剩余极化（+Pr）而若是从负场变到零场，则此时剩余极化为负（-Pr）。正是利用这无外场时所有的两个稳定极化±Pr作为计算机编码0（+Pr）和1（-Pr），这就是铁电记忆及逻辑电路的基础。铁电记忆存储是铁电体极少数利用铁电体的铁电性能去工作，而不是其他性能（如热电、压电、电光等）的应用。在非挥发性铁电存储器应用中，即使电源突然中断，其储存的信息也可保持。铁电体不仅作为一个电容，而且其本身也作为一个存储单元。铁电存储器由于其尺寸小（是通常可擦除随机只读存储器的20%），抗辐照（特别适用于军用和航天使用），存储读取速度高，容易与硅工艺相