鐵電薄膜鐵電性能的表征

1、鐵電性吳超 131120120 物理學(xué) 【引言】鐵電體是這樣一類(lèi)晶體:在一定溫度范圍內(nèi)存在自發(fā)極化,自發(fā)極化具有兩個(gè)或多個(gè)可能的取向,其取向可能隨電場(chǎng)而轉(zhuǎn)向.鐵電體并不含“鐵”,只是它與鐵磁體具有磁滯回線相類(lèi)似，具有電滯回線，因而稱為鐵電體。在某一溫度以上，它為順電相，無(wú)鐵電性，其介電常數(shù)服從居里-外斯（Curit-Weiss）定律。鐵電相與順電相之間的轉(zhuǎn)變通常稱為鐵電相變，該溫度稱為居里溫度或居里點(diǎn)Tc。鐵電體即使在沒(méi)有外界電場(chǎng)作用下，內(nèi)部也會(huì)出現(xiàn)極化，這種極化稱為自發(fā)極化。自發(fā)極化的出現(xiàn)是與這一類(lèi)材料的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)的。晶體的對(duì)稱性可以劃分為32種點(diǎn)群。在無(wú)中心對(duì)稱的21種晶體類(lèi)型種除432

2、點(diǎn)群外其余20種都有壓電效應(yīng)，而這20種壓電晶體中又有10種具熱釋電現(xiàn)象。熱釋電晶體是具有自發(fā)極化的晶體，但因表面電荷的抵償作用，其極化電矩不能顯示出來(lái)，只有當(dāng)溫度改變，電矩（即極化強(qiáng)度）發(fā)生變化，才能顯示固有的極化，這可以通過(guò)測(cè)量一閉合回路中流動(dòng)的電荷來(lái)觀測(cè)。熱釋電就是指改變溫度才能顯示電極化的現(xiàn)象，鐵電體又是熱釋電晶體中的一小類(lèi)，其特點(diǎn)就是自發(fā)極化強(qiáng)度可因電場(chǎng)作用而反向，因而極化強(qiáng)度和電場(chǎng)E 之間形成電滯回線是鐵電體的一個(gè)主要特性。自發(fā)極化可用矢量來(lái)描述，自發(fā)極化出現(xiàn)在晶體中造成一個(gè)特殊的方向。晶體中，每個(gè)晶胞中原子的構(gòu)型使正負(fù)電荷重心沿這個(gè)特殊方向發(fā)生相對(duì)位移，使電荷正負(fù)重心不重合，形成

3、電偶極矩。整個(gè)晶體在該方向上呈現(xiàn)極性，一端為正，一端為負(fù)。在其正負(fù)端分別有一層正和負(fù)的束縛電荷。束縛電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)在晶體內(nèi)部與極化反向（ 稱為退極化場(chǎng)） ，使靜電能升高，在受機(jī)械約束時(shí)，伴隨著自發(fā)極化的應(yīng)變還將使應(yīng)變能增加，所以均勻極化的狀態(tài)是不穩(wěn)定的，晶體將分成若干小區(qū)域，每個(gè)小區(qū)域內(nèi)部電偶極子沿同一方向，但各個(gè)小區(qū)域電偶極子方向不同，這些小區(qū)域稱為電疇或疇，疇的間界叫疇壁。疇的出現(xiàn)使晶體的靜電能和應(yīng)變能降低，但疇壁的存在引入了疇壁能?？傋杂赡苋O小值的條件決定了電疇的穩(wěn)構(gòu)型。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解什么是鐵電體，什么是電滯回線及其測(cè)量原理和方法。2、了解鐵薄膜材料的功能和應(yīng)用前景。三、實(shí)驗(yàn)原理

4、1、鐵電體的特點(diǎn)（1）電滯回線鐵電體的極化隨外電場(chǎng)的變化而變化，但電場(chǎng)較強(qiáng)時(shí)，極化與電場(chǎng)之間呈非線性關(guān)系。在電場(chǎng)作用下新疇成核長(zhǎng)，疇壁移動(dòng)，導(dǎo)致極化轉(zhuǎn)向，在電場(chǎng)很弱時(shí)，極化線性地依賴于電場(chǎng) 見(jiàn)圖(12.2-1) ,此時(shí)可逆的疇壁移動(dòng)成為不可逆的，極化隨電場(chǎng)的增加比線性段快。當(dāng)電場(chǎng)達(dá)到相應(yīng)于B點(diǎn)值時(shí)，晶體成為單疇，極化趨于飽和。電場(chǎng)進(jìn)一步增強(qiáng)時(shí)，由于感應(yīng)極化的增加，總極化仍然有所增大(BC)段 。如果趨于飽和后電場(chǎng)減小，極化將循 CBD段曲線減小，以致當(dāng)電場(chǎng)達(dá)到零時(shí)，晶體仍保留在宏觀極化狀態(tài)，線段OD表示的極化稱為剩余極化Pr。將線段CB外推到與極化軸相交于E，則線段OE 為飽和自發(fā)極化Ps。如

5、果電場(chǎng)反向，極化將隨之降低并改變方向，直到電場(chǎng)等于某一值時(shí)，極化又將趨于飽和。這一過(guò)程如曲線DFG所示，OF所代表的電場(chǎng)是使極化等于零的電場(chǎng)，稱為矯頑場(chǎng)Ec。電場(chǎng)在正負(fù)飽和值之間循環(huán)一周時(shí)，極化與電場(chǎng)的關(guān)系如曲線CBDFGHC所示此曲線稱為電滯回線。圖12.2-1 鐵電體的電滯回線圖12.2-2 電滯回線的顯示電滯回線可以用圖12.22-2的裝置顯示出來(lái)（這就是著名的Sawyer-Tower電路），以鐵電晶體作介質(zhì)的電容Cx上的電壓V是加在示波器的水平電極板上，與Cx串聯(lián)一個(gè)恒定電容Cy(即普通電容)，Cy上的電壓Vy加在示波器的垂直電極板上，很容易證明Vy與鐵電體的極化強(qiáng)度P成正比，因而示波

6、器顯示的圖象，縱坐標(biāo)反映P的變化，而橫坐標(biāo)Vx與加在鐵電體上外電場(chǎng)強(qiáng)成正比，因而就可直接觀測(cè)到P-E的電滯回線。下面證明Vy和P的正比關(guān)系， 12.2-1)式中為圖中電源V的角頻率為鐵電體的介電常數(shù), 為真空的介電常數(shù),S為平板電容 的面積，為 平行平板間距離，代入（12.2-1）式得： (12.2-2)根據(jù)電磁學(xué) (12.2-3)對(duì)于鐵電體1，固有后一近似等式，代入（12.2-2）式 ， 因與都是常數(shù)，故與成正比。四、測(cè)量?jī)x簡(jiǎn)介1、鐵電性能綜合測(cè)試儀硬件結(jié)構(gòu)鐵電薄膜材料的測(cè)量?jī)x主要包括可編程信號(hào)源、微電流放大器、積分器、放大倍數(shù)可編程放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、微機(jī)接口部分、微機(jī)和應(yīng)

7、用軟件等部分組成。系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖12-2-3，硬件系統(tǒng)由一臺(tái)計(jì)算機(jī)、信號(hào)調(diào)理電路部分組成。圖12-2-3 鐵電性能測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)框圖2、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容測(cè)量鐵電薄膜樣品的電滯回線，畫(huà)出電滯回線及得到鐵電薄膜材料的飽和極化Ps、剩余極化Pr、矯頑場(chǎng)Ec、電容量C等參數(shù)?！緦?shí)驗(yàn)步驟】1. 準(zhǔn)備工作：首先開(kāi)啟計(jì)算機(jī)，閱讀儀器說(shuō)明書(shū)。2. 初始化：在低電壓（100V）下運(yùn)行測(cè)量軟 件，開(kāi)啟測(cè)量?jī)x，并檢查探針位置是否正確。3. 確定高壓區(qū)間V ：調(diào)整高電壓和低電壓， 觀察能出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)電滯回線的最大和最小的 電壓值，并記錄為Vmax和Vmin，高壓區(qū)間 為V = Vmax Vmin。值得注意的是，軟 件中輸入的高壓值在本

8、次試驗(yàn)的試驗(yàn)儀上 通常達(dá)不到，因此需要輸入比目標(biāo)電壓更高 一些的電壓值，電壓值以實(shí)際高壓為準(zhǔn)。備 注：高壓區(qū)間指的是保持標(biāo)準(zhǔn)電滯回線的最 低和最高電壓。4. 測(cè)量電滯回線：在剛剛確定的那個(gè)電壓范圍內(nèi)，選擇五個(gè)電壓值，間隔為V /5，分別 測(cè)量在這五個(gè)電壓值下的電滯回線，并且保留電滯回線測(cè)量數(shù)據(jù)。5. 拷貝并帶回電滯回線測(cè)量數(shù)據(jù)，以便于后續(xù)數(shù)據(jù)處理使用。6. 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，先關(guān)閉測(cè)量?jī)x，后關(guān)閉計(jì)算 機(jī)。7. 用 電 滯 回 線 測(cè) 量 數(shù) 據(jù)， 計(jì) 算 相 應(yīng) 的 數(shù) 據(jù)Pr、Ps、Ec。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)處理【實(shí)驗(yàn)得到的圖片截圖】電壓500vPs 85.28(uc/cm2)Pr 69.28(uc/c

9、m2)-pr -69.54(uc/cm2)+vc 193.37v-Vc -117.30v電壓550vPs 86.43(uc/cm2)Pr 72.49(uc/cm2)-Pr -72.76(uc/cm2)+Vc 195.20v-Vc -120.8v電壓600vPs 88.51(uc/cm2)+Pr 72.40(uc/cm2)-Pr -75.06(uc/cm2)+Vc 199.40v-Vc -126.00v電壓650vPs 88.76(uc/cm2) Pr 74.82(uc/cm2)-Pr -77.76(uc/cm2)+Vc 202.8v-Vc -133.10v電壓 700vPs 90.65(uc/

10、cm2)+Pr 74.96(uc/cm2)-Pr -77.24(uc/cm2)+Vc 202.9v-Vc -132.90v電壓 750VPs 91.20(uc/cm2)+Pr74.82(uc/cm2)-Pr -80.26(uc/cm2)+Vc 202.90v-Vc -132.70v【數(shù)據(jù)繪制成的表格】Vmax500550600650700750Ps(uc/cm2)85.2886.4388.5188.7690.6591.20Pr(uc/cm2)69.2872.4972.4074.8274.9674.84-Pr(cu/cm2)-68.54-72.76-75.09-77.76-77.24-80.26

11、+Vc(V)193.23195.10199.40202.8202.90202.90-Vc(V)-117.30-120.8-126.00-133.10-132.90-132.70由圖可看出飽和極化強(qiáng)度隨著外加電場(chǎng)的增加而增加，由圖可知剩余極化強(qiáng)度隨外加電場(chǎng)的增加而增加隨后趨于飽和根據(jù)實(shí)驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)，我們可以畫(huà)出相應(yīng) 的電壓Vy（正比于極化P）對(duì)于外加電壓U（正 比于電場(chǎng)E）的圖，相應(yīng)的作圖如圖3所示。值 得注意的是，我們作圖的數(shù)據(jù)并不直接是極化 相對(duì)于電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系，而是電壓Vy(mV ) U(V )的關(guān)系，它們與我們需要測(cè)試的量成正比 關(guān)系，因此圖形形態(tài)上一樣。下面我們對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，

12、可以得 到不同高壓下的自發(fā)極化Ps(nC/cm2)隨外加電 壓U(V )的變化關(guān)系、剩余極化Pr(nC/cm2)隨外 加電壓U(V )的變化關(guān)系以及矯頑場(chǎng)Ec(V )隨外加 電壓U(V )的變化關(guān)系。我們將相應(yīng)的關(guān)系作圖 畫(huà)出，如圖4所示。值得注意的是由電壓Vy到極 化P的換算由具體的測(cè)試儀器參數(shù)決定，下圖中 作圖所用到的極化值由測(cè)試軟件算出。實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論與分析在實(shí)驗(yàn)中，我們觀察到如下一些顯著的現(xiàn)象：1. 電滯回線總體上呈現(xiàn)出中心對(duì)稱的形態(tài)，在一些細(xì)節(jié)處表現(xiàn)出不對(duì)稱的特征。例如在穿越負(fù)Vy軸處出現(xiàn)的跳變等。2. 隨著外加電壓的增大，電滯回線形態(tài)上“由 胖變瘦”，與坐標(biāo)軸圍成的面積變大。3. 隨

13、著外加電場(chǎng)的增大，自發(fā)極化Ps、剩余極 化Pr和矯頑場(chǎng)Ec總體上都增大，并且對(duì)于剩 余極化Pr和矯頑場(chǎng)Ec而言，其正向比負(fù)向的絕對(duì)值要大。對(duì)于上述的某些現(xiàn)象給出一些相應(yīng)的分析：1. 我們得到的大體中心對(duì)稱形態(tài)的電滯回線與 我們預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)電滯回線形態(tài)上吻合，說(shuō)明 本次試驗(yàn)裝置的設(shè)置大體正確。2. 從理論上來(lái)說(shuō)，電滯回線的產(chǎn)生是因?yàn)楫?壁在外場(chǎng)作用下翻轉(zhuǎn)是存在極化弛豫。鐵 電體由于極化弛豫會(huì)產(chǎn)生極化損耗，該行 為不可逆，會(huì)產(chǎn)生能量損耗，能量損耗的量 度可以由P E回線圍成的面積計(jì)算得出。通過(guò)量綱分析，P的量綱為C/m2，E的量綱 為V /m，因此他們乘積A = P E的量綱 為J/m3，與能量成正

14、比，其含義為損耗的 能量。因此我們可以得出結(jié)論，隨著外加電 壓的增大，電場(chǎng)反轉(zhuǎn)的損耗也增大。另外， 對(duì)于順電體來(lái)說(shuō)，極化強(qiáng)度與電場(chǎng)呈線性關(guān) 系，因此沒(méi)有極化損耗，表現(xiàn)為P E曲線 圍成的面積為零，因此無(wú)法觀察到回線。3. 電滯回線的形態(tài)有以下三個(gè)因素共同作用形成：電疇反轉(zhuǎn)過(guò)程提供的極化電荷Qs（這里 的Q代表電荷，它是由等效電路分析方法中得到的）、線性感應(yīng)極化過(guò)程提供的電荷Qi、漏電電導(dǎo)和感應(yīng)極化損耗提供的電荷Qr。其中Qs是我們感興趣的、可以形成一個(gè)回線的部分，它是由于電疇反轉(zhuǎn)引起的；Qr使得回線的飽和支、上升支和下降支發(fā)生傾斜；Qi使得回線的飽和支畸變形成一個(gè)環(huán)狀端。4. 為了消除上述提到

15、的Qr和Qi的不良影響， 可以在基礎(chǔ)的Sawyer-Tower電路的基礎(chǔ)上， 采取頻率補(bǔ)償法、電阻補(bǔ)償法、移相補(bǔ)償 法、線性補(bǔ)償法等方法以得到更為準(zhǔn)確的電滯回線。【實(shí)驗(yàn)思考題】1、鐵電體的電滯回線和溫度有無(wú)關(guān)系，為什么？答：有關(guān)系 當(dāng)溫度高于某一臨界溫度Tc時(shí),晶體的鐵電性消失。這一溫度稱為鐵電體的居里點(diǎn)。此時(shí)鐵電性變成順電性無(wú)電滯回線。2、試畫(huà)出鐵電薄膜樣品的等效電路并分析其各個(gè)部分對(duì)鐵電薄膜樣品性能的影響。虛框就是鐵電薄膜樣品的等效電路圖Cxi為線性感應(yīng)等效電容， Rx為鐵電薄膜樣品的漏電導(dǎo)及損耗等效電阻，Cxs為與自發(fā)極化反轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的非線性等效電容。在理想情況下，若只考慮Cxs的作用（認(rèn)為Cxi與Rx開(kāi)路），很容易證明Uy與鐵電薄膜樣品的極化強(qiáng)度P成正比2。但一般情況下，鐵電薄膜樣品同時(shí)具有漏電導(dǎo)和線性感應(yīng)電容，如果要獲得鐵電薄膜樣品的本征電滯回線，必須在測(cè)量過(guò)程中對(duì)樣品的漏電導(dǎo)和線性感應(yīng)電容進(jìn)行合適的補(bǔ)償，但這在實(shí)際測(cè)量中是較難處理的