鐵電薄膜鐵電性能的表征

1、薄鐵電薄膜鐵電性能的表征b 091120*英曾引言：箴鐵電體是這樣一類晶體：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，無鐵電性，具介電常數(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。 鐵電體即使在沒有外界電場作用下， 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)是與這一類材料的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)的。瞧晶體的對稱性可以劃分為32種點(diǎn)群。在無中心對稱的

2、21種晶體類型種除432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，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， 這可以通過測量一閉合回路中流動(dòng)的電荷來觀測。 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， 其特點(diǎn)就是自發(fā)極化強(qiáng)度可因電場作用而反向，因而極化強(qiáng)度和電場E 之間形成電滯回線是鐵電體的一個(gè)主要特性。蜩自發(fā)極化可用矢量來描述，自發(fā)極化出現(xiàn)在晶體中造成一個(gè)特殊的方向。晶體紅， 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

3、殊方向發(fā)生位移， 使電荷正負(fù)中心不重合，形成電偶極矩。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)生的電場在晶體內(nèi)部與極化反向（ 稱為退極化場） ，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。 總自由能取極小值的條件決定了電疇的穩(wěn)定性。賺腿實(shí)驗(yàn)?zāi)康模荷?、了解鐵電參數(shù)測試儀的工作原理和使用方法袁2、了解什么是鐵電體，什么是電滯回線及其測量原理和方法。蠶

4、3、了解非揮發(fā)鐵電隨機(jī)讀取存儲(chǔ)器的工作原理及性能表征。祎蒞實(shí)驗(yàn)原理：節(jié)1、鐵電體的特點(diǎn)筮（1）電滯回線量鐵電體的極化隨外電場的變化而變化，但電場較強(qiáng)時(shí)，極化與電場之間呈非 線性蔻關(guān)系。在電場作用下新疇成核長，疇壁移動(dòng)，導(dǎo)致極化轉(zhuǎn)向，在電場很弱時(shí)， 極化線性地依賴于電場 見圖（12.2-1），此時(shí)可逆的疇壁移動(dòng)成為不可逆的，極化 隨電場的章增加比線性段快。當(dāng)電場達(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）K 。如果趨于飽和后電場減小，極化將循 CBD段曲線減小，以致當(dāng)電場達(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

5、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P$如果電場反向，極化將隨 之降低并改變方向，直到電場等于某一值時(shí)，極化又將趨于飽和。這一過程如曲 線DFG所示，OF所代表的電場是使極化等于零的電場，稱為矯頑場Eg電場在正負(fù)飽和度之間循環(huán)一周時(shí)，極化與電場的關(guān)系如曲線CBDFGHO示此曲線稱為電滯回線。斯圖12.2-2電滯回線的顯示肄電滯回線可以用圖12.22-2的裝置顯示出來（這就是著名的 Sawyer-Tower電路），以電晶體作介質(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卻普通電容）,Cy上的電壓Vy加在示波器的垂直電

6、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強(qiáng)成正比，因而就可直接觀測到 P-E的電滯回線。英下面證明Vy和P的正比關(guān)系,因1CxC?(12.2-1)VyCyLTCx薄式中切為圖中電源V的角頻率；osd量名為鐵電體的介電常數(shù)，加為真空的介電常數(shù)，S為平板電容Cx的面積，d為 平行平板間距離，代入（12.2-1）式得：薄(12.2-2)CxCYVx；°SVxCy d Cy；0S E妨根據(jù)電磁學(xué)P= ；0(；-1)E ： E = p E(12.2-3)蟻對于鐵電體£»1,固有后一近似

7、等式，代入（12.2-2）式(12.2-4)舞因S與Cy都是常數(shù)，故Vy與P成正比。前(2)居里點(diǎn)Tc肇當(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)。由于鐵電體的消失或出現(xiàn)總是伴隨著品格結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變， 所以是個(gè)相變過程， 已發(fā)現(xiàn)鐵電體存在兩種相變：一級相變伴隨著潛熱的產(chǎn)生，二級相變呈現(xiàn)比熱的 突變，而無潛熱發(fā)生，又鐵電相中自發(fā)極化總是和電致形變聯(lián)系在一起，所以鐵電相的品格結(jié)構(gòu)的對稱性要比非鐵電相為低。 如果晶體具有兩個(gè)或多個(gè)鐵電相時(shí)， 最高的一個(gè)相變溫度稱為居里點(diǎn)，其它則稱為轉(zhuǎn)變溫度。襖(3)居里-外斯定律蒂由于極化的非線性，鐵電體的介電常數(shù)不是常數(shù)，而是依賴于外

8、加電場的， 一般以O(shè)A曲線(圖12.2-1)在原點(diǎn)的斜率代表介電常數(shù)，即在測量介電常數(shù) 時(shí)， 所加外電場很小，鐵電體在轉(zhuǎn)變溫度附近時(shí)，介電常數(shù)具有很大的數(shù)值，數(shù)量級_4_5一 一 達(dá)10 10 0當(dāng)溫度高于居里點(diǎn)時(shí)，介電常數(shù)隨溫度變化的關(guān)系神(12.2-5)祎2、鐵電體和鐵電存儲(chǔ)的應(yīng)用肄鐵電體具有介電、壓電、熱釋電、鐵電性質(zhì)以及與之相關(guān)的電致伸縮性質(zhì)、 非線性光學(xué)性質(zhì)、電光性質(zhì)、聲光性質(zhì)、光折變性質(zhì)、鐵電記憶存儲(chǔ)性能等等， 都與其電極化性質(zhì)相關(guān)，特別是電介質(zhì)的熱釋電與鐵電性質(zhì)都與其自發(fā)極化相關(guān)。 由于鐵電體具有上述性質(zhì)，因而在諸多高技術(shù)中有著很重要的應(yīng)用。 利用其壓電 性能可制作電聲換能器，用

9、于超聲波探測，聲納，穩(wěn)頻振諧器，聲表面波器件等； 利用其熱釋電性質(zhì)可制作紅外探測器， 紅外監(jiān)視器，熱成像系統(tǒng)等；利用非線性 光學(xué)效應(yīng)可制作激光倍頻、三倍頻、和頻、差頻器；利用電光性質(zhì)可制作激光電 光開關(guān)、光偏轉(zhuǎn)器、光調(diào)制器等；利用聲光效應(yīng)可制作激光聲光開關(guān)、聲光偏轉(zhuǎn) 器、聲光調(diào)制器等；利用光折變效應(yīng)可制作光存儲(chǔ)器件； 而鐵電材料的鐵電性可 制作鐵電記憶存儲(chǔ)器。襖鐵電記憶存儲(chǔ)器(Ferroelectric Memory)是利用鐵電體所具有的電滯回線性 質(zhì)。如圖12.2-1所示，當(dāng)加到鐵電體上電場為零時(shí)，鐵電體上仍保持有一定的極化強(qiáng)度Pr域-Pr）,這個(gè)極化電荷的符號(hào)取決于該電體上原加場的符號(hào)。若

10、原來加 的正場，則當(dāng)外場變?yōu)榱銏鰰r(shí)，鐵電體上為正的剩余極化（+Pr）而若是從負(fù)場變到零場，則此時(shí)剩余極化為負(fù)（-Pr）。正是利用這無外場時(shí)所有的兩個(gè)穩(wěn)定極 化士 Pr作為計(jì)算機(jī)編碼0（P。和1 （Pr）,這就是鐵電記憶及邏輯電路的基礎(chǔ)。蕨鐵電記憶存儲(chǔ)是鐵電體極少數(shù)利用鐵電體的鐵電性能去工作，而不是其他性 能（如熱電、壓電、電光等）的應(yīng)用。在非揮發(fā)性鐵電存儲(chǔ)器應(yīng)用中，即使電源 突然中斷，其儲(chǔ)存的信息也可保持。鐵電體不僅作為一個(gè)電容，而且其本身也作 為一個(gè)存儲(chǔ)單元。鐵電存儲(chǔ)器由于其尺寸小（是通?？刹脸S機(jī)只讀存儲(chǔ)器的 20%）,抗輻照（特別適用于軍用和航天使用），存儲(chǔ)讀取速度高，容易與硅工藝 相容

11、，因而有很好的前景。目前鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器已有商品銷售，由其為核心的智能卡及作為嵌入式芯片已用于眾多家電的控制器如洗衣機(jī)、游戲機(jī)、電視頻道存儲(chǔ)記憶器、復(fù)印機(jī)、收費(fèi)站刷卡等等方面，隨大存儲(chǔ)量的產(chǎn)品出現(xiàn)將在數(shù)碼相機(jī)、 隨身聽中使用，市場前景看好。衿鐵電材料的鐵電性能最為重要的表征是其電滯回線所反映的鐵電性能，包括 飽和極化Ps永久極化Pr,矯玩場Ec等,而對于用于鐵電存儲(chǔ)器的鐵電薄膜來講， 除此之外還有漏電流Ik,鐵電疲勞性能（永久極化與開關(guān)次數(shù)Prn）及鐵電保 持性能（永久極化與時(shí)間關(guān)系Pr t ）。通常要求永久極化Pr>10»C/cm2,低矯10 一玩場Ec<100kV/cm

12、。好的疲勞特性，在鐵電翻轉(zhuǎn)10次時(shí)，永久極化很少變化。572在10秒內(nèi)可較好的保持電荷，漏電流小于10 A/Cm O肄3、鐵電薄膜的制備方法羈目前制備鐵電薄膜的方法主要有：Sol-Ge啜膠法、MOCVDfe、PLDfe和濺射法。在這些制備方法中，每一種都有自身的特點(diǎn)。聿（1） Sol-Ge啜膠法 Sol-Ge啜膠法是將金屬的醇鹽或其他有機(jī)鹽溶解于同一 溶劑中，經(jīng)過水解、聚合反應(yīng)形成溶膠。通過甩膠在基片上形成薄膜，經(jīng)過干燥 和退火處理，形成鐵電薄膜。此方法能夠精確控制膜的化學(xué)計(jì)量比和摻雜，易于制備大面積的薄膜，適于大批量生產(chǎn)，設(shè)備簡單，成本低，可與微電子工藝技術(shù) 相兼容。但這種方法易有不足之處，

13、如膜的致密性較差，干燥處理過程中薄膜一 出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象，薄膜結(jié)構(gòu)和生長速率對基片和電極材料很敏感。迄今為止，利用該方法已制備出PK PZT PLZT BK ST BS用多種鐵電薄膜。斯（2） MOCVDfe MOCVDfe是將反應(yīng)氣體和氣化的金屬有機(jī)物前體溶液通過 反應(yīng)室，經(jīng)過熱分解沉積在加熱的襯底上形成薄膜。此法的主要優(yōu)點(diǎn)是薄膜生長 速率快，可制備大面積薄膜，能精確控制薄膜的化學(xué)組分和厚度。 但這種方法受 制于金屬有機(jī)源（MO）的合成技術(shù)，難以找到合適的金屬有機(jī)源，僅能用于少 數(shù)幾中薄膜的制備。采用此方法已制備出 PK PZT PLZT B儂LN等鐵電薄膜。肅（3） PLDfePLDfe是20

14、世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種新型薄膜沉積技術(shù)。它利用高功率的準(zhǔn)分子脈沖激光照射到一定組分比的靶材上， 使靶表面的數(shù)十米厚的物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橛疠x狀等離子體， 沉積到襯底上形成薄膜。 這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是：能源無污染；薄膜成分與靶材完全一致，因而可嚴(yán)格控制；襯底溫度較低，可獲得外延單晶膜； 成膜速率快。 但這種方法難以制備大面積均勻性好的薄膜。 目前 利用PLDJ法已制備了 PK PZT BTQ及KTN?鐵電薄膜。劉（4）濺射法 濺射法包括直流濺射、射頻磁控濺射和離子束濺射。濺射法的 主要優(yōu)點(diǎn)是工藝比較成熟， 沉積溫度較低， 可獲得外延膜。 但這種沉積膜速率較慢，組分和結(jié)構(gòu)的均勻性比較難于控制?？睂?shí)驗(yàn)儀器

15、：藏TD-88A型鐵電性能綜合測試儀，微機(jī)，專用三維微米級測試架，測試探針。膀 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：蔓1、運(yùn)行應(yīng)用軟件，進(jìn)入軟件主界面，打開主菜單的測量部分選擇“電滯回線測量”選項(xiàng)，輸入“樣品名稱” 、 “樣品面積” 、 “樣品厚度” 、 “輸出電壓幅度” 、 “測試周期點(diǎn)數(shù)” 、 “電滯回線周期”等參數(shù)。薇 2 、按“確定”鍵后，軟件彈出對話框“請輸入需保存的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的文件名” ，用戶輸入以*loop的文件名后按“ OK'鍵繼續(xù)，回到軟件主界面，按“開始測量” 按鍵， 系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行電滯回線測量和脈沖參數(shù)測量 （測量時(shí)請注意主界面下側(cè)提示條的信息） ，以上兩項(xiàng)參數(shù)測量完成后系統(tǒng)彈出信息框“是否進(jìn)

16、行漏電流測量”，按“Ye§則進(jìn)行漏電流及電阻阻值測量，按“No”即完成測量。輻數(shù)據(jù)處理及誤差分析:腿以(Vx)max=750V,(Vx)min=-750V/ 例:蝸實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)如下:蔗取圖像的一半進(jìn)行擬合處理，由于圖像接近于幕函數(shù)y=x1/3曲線的凹凸性和趨向性，但三次方根的計(jì)算會(huì)引入大量無理數(shù)，不可取，故可將橫軸和縱軸交換， 如下圖所示：蝸便可用三次多項(xiàng)式函數(shù)y=aX3+bx2+cx+d來擬合，擬合結(jié)果如下:犀由圖可得-Vc=-402.212V, Pr=43.575uc/CM2, Ps=49.369uc/CM 2蟆同理，V=700時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:建處理后所得數(shù)據(jù)：-Vc=-408

17、.242V , Pr=44.745uc/CM 2, Ps=51.680uc/CM 2裱V=800時(shí):蒙V=850時(shí):贛V=900時(shí):BOw-Vc=-398.212V, Pr=43.056uc/CM 2, Ps=48.537uc/CM2#-Vc=398.771V, Pr=43.121uc/CM 2, Ps=48.797uc/CM2蠅-Vc=394.118V, Pr=42.801 uc/CM 2, Ps=48.355uc/CM 2芾V=950時(shí):肇犀-Vc=392.273V, Pr=42.666uc/CM 2, Ps=48.181uc/CM2蓬 V=1000 時(shí):肆滕-Vc=-390.758V,

18、Pr=42.017uc/CM 2, Ps=48.013uc/CM2衿由此可得Ps, Pr, Vc隨電壓變化的關(guān)系:腿電壓仝旦 X又經(jīng)里» 700奠750袈800交850先900聿950蝸 1000莆Ps/ucCM-2蛔51.68049.36948.53748.79748.35548.18148.013_ ._-2Pr/ ucCM44.74543.57543.05643.12142.80142.66642.017Vc/v408.242402.212398.212398.771394.118392.273390.758圖像如下：Ps N:Pr-V:Vc-V:由圖像可知，隨著 Vmax的增大，永久極化Pr、矯頑場Ec (Vc)及飽和極化Ps 均呈現(xiàn)逐步減小的趨勢。注意事項(xiàng)：(1)必須先連接好測試線路并確認(rèn)無誤(注意千萬不要將信號(hào)源短路)后 再打開測試儀電源。(2)當(dāng)使用高電壓信號(hào)源時(shí)，注意安全，測試操作時(shí)不能接觸測試架。測 試完成后先關(guān)閉測試儀電源。以下無正文僅供個(gè)人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途。t o Ji b k o AJiajiiOAeTK q TOpBi(enojib 3 guroiTHO 叵 y q e humc ac ji, e a 0 BHa H0HOJi>KHbi ui