南京大学试验报告铁电薄膜铁电特性的表征

1、铁电薄膜铁电特性的表征电瞒四怏41祥的电涌叫陞为囹中匕源1 ,们中KV；2-1式得服队临学平板电客二的面积用为平行甲板间盹离为铁电体的弁电估敝.的为真空的介电箱觐1的装检显示出来这建善名佝SayerTw*电济L以筏电品体 K皿加作不;波器附水平电彼板上勺G小职个忸注电群.此 加在示波器的垂直电极板上.很容易虽聊与轶电体的横化强度上外电对于畿电体4盘故谷后一近低警式.代A10i2 2Z电濡网线团以用图心,2 作介瓯的噌容仁上的电HM 普迪电电G E的电压V、1 P成iLtt.lAl而小液参显小的图像.飒坐际反暇P的女化.而耦坐味勺加无耽电体 场强成正比.因而就可直接规测到P芸的电滞|刑败下面讪:

2、明Vv和P的正此关系因映也体的槌化随外电场的变化而变化,但电场较我时,概化与屯场之间呈非戕性矢票.用 电场作弗下新略成校长大,嶙壁移动.岸致椎化转前*电场徂锢时彼化线性地依耗干也场 见图E 3 1役.此时可逆的时璧洛动哝为不可逆的,槌化随电场的增加比我时段快: 当电糙到相应于耻值时,总横化仍熟有所蜻KBC段并越于地件 如果趋于愧和启耳 场戒小,极化将循CHD段曲技陇小,以致当巾场到达零时.品体仍保僧在就视概化状布.线段 打心表示的概化称为到会横ItPjRrnwmMrtpohiMdonK特巍段B外推刘与极仅轴榕交 诉跖胴税段CE为饱有自技极化 E 如果电场反向极化枷之降低并改斐方向,直到电场 薯

3、某 咄却1,网化义并趋1恤和,这过程蛎的纹DFG所示*OF所代表的电场是便横化 等于彳的电场,称为睇顽场ECowitSvc Mi9电场在正倒饱和俏Z何徜环一周时.极化与 电厢的黑系如由蛾 CBDFGHCJft示此 Aifaff BlaHteresu lcpfr横化f-实验目的解什么是映电休,什次是地滞回巍及皿测量原理和方该解非摊发映电防机谟抵存储器的工作啾理及性能表征,实验原理就电体的微由J电滞回殁(2)居里点二当温度高于某一临界温度T时.品休的快电性消失.这一温度称为铁屯体的居里点. 由于洗屯体的消失或出现总是伴随着品格姑构的转变.所以是个相变过程.已发现铁电体存 在二种相受广级相变仲随着潜

4、热的产生：二级相变星现比热的突变,而无潜热发生.铁电11 中自发极化总是和电致形变联系在一起,所以铁电相的品格结构的对称性要比非铁电相为低. 如果晶体具有阳个或左个供电相时,最高的一个相变温度称为居里点.其他那么称为转变温度.居里-外斯定作由于极化的非税性.铁电体的介电帝数不烂常数,而是依赖于外加电场的一段以OA Illi 线(图10. 23)在瞭点的斜率代表介电常故,即在测只介电常数时所加外电场很小,铁电体 在转变温度附近肘,介电常数具有很大的数值,数址级芷1010、当温度高于居里点时,介 电常数随温度变化的关系为C= =- s(10.2-5)T T-,(I) 铁电体的分类铁电体的分类方法很

5、多,按其所含的根本堆元的不同诃划分为以下儿种, 含氧八面体的轶电体. 含列锤的铁电体6 含其他离子基团的铁电体.也铁电聚合物与铁电液晶.其中含氧八面体的铁电体是铁电体研充的一个主要方向.根樵其空何排列万式.钗电体还 可以从姑构上进一步分为； 钙钛矿结枸：通式ABCh如BaTif.、 PI(2rTi)O；.其空间储祠如图10.2-1 焦盘石结构:通式如CdzNtO？等. 钙肖铜站枸:通式ABeQ；如PbT%.“等.0)Bi系层状钙钛矿结构.又称Aurivilius结构：通式(I饥O】(AR,Q；“.)卜.如 sHmq(sim,(时T)等.2. 被电体的应川铁电体具有介电、压电、热释电、铁电性质以

6、及与之相关的电致伸缩性质、非线性光学性 光性质、声光性质、光折变性质、铁电存佛记忆性能等囚而在微电了和光电子等诺多高 技术中有者很贞要的应用图10. 2-5给出了铁电体的大致戍用范围：府用其田电性能可制作电许换能器用F超声波探测.声纳.讷振器.声外表波器件等利 用其荆释屯性质可制作红外探测器.红外监视器.热成像系统件；利用非线性光学效应可制作 滋光布频、三倍?i、和濒、差频器前用屯光性质诃制作屯光开关、光佃#器、光调制2舛 利用 声光效应可制作声光开关、声光佩村器、声光调制器等：利用光折变效应可制成光件储器什匕而 铁电特料的铁电性可制作铁电记忆在佶器.3. 袂电存储应用跌电记忆存倘器(Ferr

7、oelectric Memory是利用钦电体所具有的电滞回线性质.如图 10.2-3所示,当加到轶电体上电场为零时.铁电体上仍保持4 定的极化强度已或一P)谊 个极化电荷的符号取决于该铁电体上原加电场的符号.假设原来加的正场,那么当外场变为零时.图10.2-5伏Ml体的成月轶电体I.为正的剩余极化十己.而假设是从负场变到零.那么比时刺余极化为负一已.正是 利用无外场时存在的两个稳定极化士P.作为计尊机编码0R和1 一乙?.这就是铁电记 忆及逻辑电路的根底.铁电记忆存饬是利用铁电体的铁电性能.而不是其他性能如热电、压也、电光等的应用. 在铁电存馅器应用中.即使电源忽然中断,其贮.的信息也可保持,

8、因而通常称为非易失性轶 电随机读H乂存储器Non-Volatile berroelectric Random Access Memory. WFcRAM.钦 电体不仅作为一个电容.而旦其本身也作为一个存怖卜元.法屯存储器具有尺寸小是迪帝町 拶除随机只魂存储器的20%,抗幅照特别适用于军用及疑天使用只存存读取速度高,容易 与硅工之相容低功耗等特点.特别是由于其以薄膜形式工作.可以在很低电质工作.对于 100 nm300 nm厚的铁电薄膜.翻转电压仅为几伏.很有实用价值.因而仃很好的前景.目前 铁电随机存储器己存商品销齿,智能R及作为收入式芯片己用于众多家电的拍制器,如洗衣 机、Sony游戒机Pl

9、ay sution PS2、电视频道存储i己忆器、复印机、收费站周K等方面.随大存 储量的产品出用将在数码相机、随身听中使用.市场前景看好,1952年.贝尔实磁室的J. R Anderswn首先提出了用铁电材料来制备存依舞的思想,即 利用铁电偏体的电学双榆态特性.用可反转的*上二“下西个方向的极化状态.来实现计算机 存传器操作.巨由于当时薄膜制备技术尚术开展,11早期的做屯存储牌存在半选干扰何题,疲 劳何罐也II帘显彳.再加上要使用昂贵的铁电单晶材W.EI此使得铁电存储器的设恩在当时未 能实现宜到9年代初曲薄膜制备技术的开展才逐渐开展,H前已设计出的存储器有三种. 即非易火性铁屯随机读取存储S

10、BFcRAM铁电场效应管: FeFET和铁电动态随机存佛器 DRAM Fffies Inc.生产的KTfiWA壁位器或其他可用于铁地 度存册性存的柱能、如德国产Axi ACCCTfflHJOjf!京大学产TD- 88A.利用其At设的程序可 很方便地测出铁屯暮膜的屯滞同城、疲劳和保持曲线.并得出其R, E-,九及峻弗(必一以和 保持Pl)性持*五、数据处理可对txt数据进行拟合得到 Ps,Pr,Ec等值,如下列图以设定电压为 700V为例：图3对其他设定电压值进行相似的分析得如下表格单位已换算设定电压Ps/C/m2+Pr/C/m2-Pr/C/m 2V+/vV-/v700V91.8776.73-

11、78.41206.2-183.8725V91.5476.13-78.43206.1-183.6750V93.3175.28-79.08199.2-195.2775V93.3375.25-79.67200-193800V94.8476.43-80.05205.4-189825V94.5477.26-80.29200.9-193.7850V96.1677.21-81.17206.7-196.4875V96.2680.6-80.51205.6-195.9900V97.3779.5-80.87206.9-199.9925V97.1280.91-81.5206.5-205.1950V98.4379.53

12、-82.25201.8-188.9975V98.5382.21-82.22207-190.11000V100.3283.28-83.36207.6-181.11025V100.4579.34-83.71207.6-181.61050V100.8483.27-84.11210.1-204.11075V101.4872.16-85.61217-196.1对Pr+和Pr-绝对值求平均的 Pr,类似得到 Ec,将其与 Vmax, Ps一起列于下表:设定电压_2Ps/C/m-_2Pr/C/mEc/V700V91.8777.57195725V91.5477.28194.85750V93.3177.1819

13、7.2775V93.3377.46196.5800V94.8478.24197.2825V94.5478.775197.3850V96.1679.19201.55875V96.2680.555200.75900V97.3780.185203.4925V97.1281.205205.8950V98.4380.89195.35975V98.5382.215198.551000V100.3283.32194.351025V100.4581.525194.61050V100.8483.69207.11075V101.4878.885206.55作图得:Ps随设定电压 V的变化6507007508008

14、50900950 1000 1060 1100UNPr随设定电压V的变化图5511CDEc随设定电压V的变化-1500图6各电压下对应的电滞回线7007257507758003258508759009259509751000102510501075六、分析讨论1.观察图4,5,6即Ps,Pr,E逝最大电压值Vmax变化示意图.可以看到Ps,Pr,E这 三个量有随Vmax增大而增大的趋势,(1) Pr Ps和Ec有些曲折,整体呈上升趋势,在某些点会上浮或者下降.我认为 这可能和采集的数据点浮动比较大有关,单独作图连线数据点就能看出几个相邻 数据点之间差异很大,连线非常不平滑.因此在V较大的地方会

15、展现出比较一定 的浮动,从而影响到斜率的计算.(2) 从图7看所有数据点,可以目测观测到得到 Ps所需数据点局部有明显的整体 向上平移.所以表象出整体随 Vmax上升的趋势.(3) 相对而言,Ec那么整体保持不变,变化较小,但是从具体数据来看也是在变大 的.所以得出结论,随着Vmax的变大,整个铁电性曲线都表现出向上局部向两边扩张的趋势2. 综合1的结论,可以从Pr着手来大致推测所加电压和 Vmax3. 在实验中发现Ec也台终大丁 Ec-,可以推断整个铁电曲线不仅有 Y方向的平移, 还有X方向的平移,原点并不是曲线的对称中央.查阅资料发现,一般情况 下,曲线将以原点为对称中央,但是参加了反铁磁

16、层之后,在某温度段会使 整个体系曲线出现一个平移量.出现矫顽力 Hc,出现交换偏置效应,如图所示：七、思考题1. 试比较铁电体与铁磁体的同异.相同之处：.电滞回线和磁滞回线相类似,都有极化强度随电场的变化滞后的现 象.其中电畴和磁畴也相类似.都有类似的相变过程如顺电-铁电相变和顺磁-铁磁相变,都有居里温度的概念不同之处：.铁电体具有自发极化的特征,而铁磁体具有自发磁化的特征.虽然都涉及晶体结构对称性破缺 .铁电畴壁厚度很薄,大约只有几个晶格常数量级,而铁磁体择优几白个晶格常 数量级.且磁畴壁中的自发磁化方向可以改变方向,而铁电体那么不可以. .铁电体在外场作用下,自发极化方向只能在某几个方向变

17、化, 但是铁磁体在足 够的外场作用下,可以完全转到外场方向.2. 什么是铁电体？试举例说明你所知道的应用.铁电体：某些晶体在一定的温度范围内具有自发极化, 而且其自发极化方向可以 因外电场方向的反向而反向,晶体的这种性质称为铁电性,具有铁电性的晶体称 为铁电体.应用：铁电材料的非线性性质可以用来制造电容可调的电容器. 一个铁电电容器 的典型结构是两个电极夹一层铁电材料. 铁电材料的介电常数不仅可以调节,而 且在相变温度附近值非常大.这使得铁电电容器与其他电容器相比体积非常小.3. 铁电薄膜为什么能用做数据存储器,其优点何在？由于：铁电体具有的电滞回线的性质：假设原来加的正场,当外场变为零的时候,铁电体上为正的剩余极化 Pr+0,假设