铁电薄膜性能测量实验_图文

1、第21卷第4期大学物理实验Vol . 21No . 42008年12月出版PHYSICAL E XPERIMENT OF COLLE GE Dec . 2008收稿日期:2008-07-16文章编号:1007-2934(2008 04-0006-03铁电薄膜性能测量实验王东生叶进付欣吴平(南京航空航天大学, 南京, 210016摘要利用铁电性能综合测试系统测量了SrBi 2Ta 2O 9薄膜的铁电性能, 分析了电压变化对于电滞回线的影响, 同时对疲劳行为进行了研究。关键词铁电薄膜; 电滞回线; 疲劳中图分类号:O484. 5文献标识码:A图1电滞回线引言铁电体是一种具有自发极化的非线性电介质,

2、 其极化强度P 随外加电场强度E 的变化形成电滞回线,这是确定材料具有铁电性的基本依据, 图1是典型的电滞回线示意图。由于在外场为零时存在两种极化状态, 可以分别用来代表二进制数据系统中的“0”和“1”,非常适合制作存储器。从实用的观点来看, 铁电薄膜存储器具有高速度、抗辐射性、低功耗、非挥发性和高密度等特点, 综合了半导体存储器和磁存储器的优点,并能与半导体工艺兼容, 是一种理想的存储器。本实验就是采用南京大学应用物理研究所研制的TD -88A图2观察电滞回线的电路原理图铁电性能综合测试系统, 对SrBi 2Ta 2O 9(SBT 薄膜材料的铁电性能展开测量。 2实验原理及装置电滞回线可以用

3、图2所示的Sawye r 电路来观测。加上交变电压V 时, 标准电容C 0上的电荷变化等于样品电容C x 上的电荷变化, 是C 0两端电压变化V 的C 0倍。示波器荧光屏上的纵坐标表示极化强度P , 横坐标表示试样上的电场强度E , 在DOI :10. 14139/j . cn ki . cn22-1228. 2008. 04. 027交变电场作用下就能观察到电滞回线。本文中用到的SBT 铁电薄膜电容样品是采用金属有机物分解法沉积在Pt /TiO 2/SiO 2/Si 基片上制备得到的, 薄膜样品顶电极采用直流磁控溅射法加掩模制备, 直径为0. 2mm , 如图3所示。实验装置如图4所示, 将

4、顶电极朝上放在铁电测试仪样品台上, 每个电极悬臂的三个微动螺丝分别控制电极探针的径向缩进, 横向摆动和上下移动, 调整铁电测试仪电极悬臂的微动螺丝, 使两个电极探针悬臂分别接触两个顶电极, 形成两个样品电容的串联, 要保证接触紧密且不容易脱落。之后确保微机和铁电测试仪之间的正确可靠连接, 打开微机和铁电测试仪的电源, 运行相应的数据采集软件, 具体结果可以在计算机显示器上显示。 图3SBT 薄膜截面图4实验装置示意图选定相应的脉冲宽度, 测试周期点数, 电滞回线周期等测试参数后, 改变外加电压即可得到薄膜的电滞回线。由图5可见, 随着输出电压幅值的增加, 纵轴极化强度P 的数值随之增大, 所包

5、围的面积也逐渐变大, 并且电滞回线形状逐渐趋于理想形状, 这表明电场每变化一周时铁电薄膜所消耗的能量不断增大。另外改变上述测试参数, 电滞回线有不同的形状, 应与SBT 薄膜的致密不一有关。 图5外加电压为2V , 4V , 6V 时SBT 薄膜的电滞回线图6为历经90小时得到的SBT 薄膜的疲劳曲线, 脉冲周期为1s 。尽管极化强度有较明显的下降, 但是两种极化状态仍然可以明确区分。7 图6SBT 薄膜的疲劳特征曲线3问题总结通过本实验能使学生了解铁电材料的基本性质, 学习铁电薄膜材料铁电性能的测量原理, 掌握电滞回线的基本测量方法, 同时也存在如下一些问题:1 . 如果不深入对如结构相变、

6、电畴结构、热力学理论等铁电材料的基础理论进行学习, 就难以对实验结果有更为透彻的讨论分析;2 . 使用的铁电测试系统存在一些不足, 如电极定位不够精确、配套软件存在缺陷以及其它一些因素, 可能影响实验结果的精确度;3 . 在电滞回线和疲劳特性测量中, 测试参数选取很重要, 只有经过反复测试, 最终才能得到满意的实验参数和结果。参考文献1钟维烈. 铁电物理学M . 北京:科学出版社, 19982Scott J F , Paz de Araujo C A . Ferroelectric Memories J . Science , 1989A MEASUREMENT EXPERIMENT OF F

7、ERR OELEC TRICTHIN FILM PR OPERTYWang Dongshen g Ye Jin Fu Xin Wu Ping(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics , Nanjing , 210016A bstract :The ferroelectric properties of SrBi 2Ta 2O 9thin film are measured by ferroelectric measurement instrument . For the film , we study the dependence of hysteresis loop on applied voltage . F