鐵電性實驗報告-南京大學

1、鐵電性實驗報告-南京大學鐵電薄膜鐵電性能表征131120161李曉曦引言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 個或多個可能的取向，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 Tco鐵電體即使在沒有外界電場作用下，內(nèi)部也會出現(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。鐵電體特點是自發(fā)極化強度可因電場

2、作用而反向，因而極化強度和電場 之間形成電滯回線。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 個特殊的方向。晶體中每個晶胞中原子的構(gòu)型使正負電荷重心沿這個特殊方向 發(fā)生位移，使電荷正負中心不重合，形成電偶極矩。整個晶體在該方向上呈現(xiàn) 極性，一端為正，一端為負。在其正負端分別有一層正和負的束縛電荷。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,鐵電現(xiàn)象第一次發(fā)現(xiàn)是在1920年，由瓦拉賽爾發(fā)現(xiàn)外場可以使羅西鹽的極化方 向反轉(zhuǎn)，但是鐵電現(xiàn)象直到40年代初才得以被廣泛研究。如今鐵電現(xiàn)象因為其 獨特性質(zhì)得到了廣泛的應(yīng)用，而本實驗就是為了初步探究本現(xiàn)象的物理性質(zhì)。 本實驗

3、測量了鐵電材料的電滯回線，并且改變電壓測量了不同電壓下的圖像和 矯頑力等數(shù)值。作者又進一步對此現(xiàn)象進行了初步探究，研究了其相關(guān)機理。實驗?zāi)康?、了解什么是鐵電體，什么是電滯回線及其測量原理和方法。2、了解非揮發(fā)鐵電隨機讀取存儲器的工作原理及性能表征。3、 實驗原理1、鐵電體的特點(1)電滯回線鐵電體的極化隨外電場的變化而變化，但電場較強時，極化與電場之間呈 非線性關(guān)系。在電場作用下新疇成核長，疇壁移動，導致極化轉(zhuǎn)向，在電場很 弱時，極化線性地依賴于電場 見圖1,此時可逆的疇壁移動成為不可逆的， 極化 隨電場的增加比線性段快。當電場達到相應(yīng)于B點值時，晶體成為單疇，極化趨于飽和。電場進一步增強時

4、，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減小，極化將循 CBD段曲線減小，以致當電場達到零 時，晶體仍保留在宏觀極化狀態(tài)，線段 ODS示的極化稱為剩余極化Pro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Pso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，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 Eco電場在正負飽和度之間循環(huán)一周時，極化與電場的關(guān)系如曲線CBDFGHCf示此曲線稱為電滯回線。電晶定電vy電滯回線可以用圖2的裝置顯示出來（這就是著名的 Sawyer-Towe

5、r電路），以 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)一個包 容G（即普通電容），G上的電壓vy加在示波器的垂直電極板上，很容易證明與鐵電體的極化強度 P成正比，因而示波器顯示的圖象，縱坐標反映 P的變化，而 橫坐標Vx與加在鐵電體上外電場強成正比，因而就可直接觀測到P-E的電滯回線。下面證明vy和P的正比關(guān)系，因VyCy CxVxCyCx式中 為圖中電源V的角頻率為鐵電體的介電常數(shù)，0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（1）式得:VyCxVCy_oSVxCT3C0SE根據(jù)電磁學0(1)E o E對于鐵電體1,固有后一近似等式，代入（

6、2)式VyPCy因S與Cy都是常數(shù)，故Vy與P成正比。（2）居里點Tc當溫度高于某一臨界溫度 Tc時，晶體的鐵電性消失。這一溫度稱為鐵電體 的居里點。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 或多個鐵電相時，最高 的一個相變溫度稱為居里點，其它則稱為轉(zhuǎn)變溫度。（3）居里-外斯定律由于極化的非線性，鐵電體的介電常數(shù)不是常數(shù)，而是依賴于外加電場的， 一般以O(shè)A曲線（圖1）在

7、原點的斜率代表介電常數(shù)，即在測量介電常數(shù)時，所加外電場很小，鐵電體在轉(zhuǎn)變溫度附近時，介電常數(shù)具有很大的數(shù)值，數(shù)量級(5)達104105。當溫度高于居里點時，介電常數(shù)隨溫度變化的關(guān)系T ToC2、鐵電體和鐵電存儲的應(yīng)用鐵電體具有介電、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

8、外探測器，紅外監(jiān)視器，熱成像系統(tǒng)等； 利用非線性光學效應(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)可制作光存儲器件；而鐵 電材料的鐵電性可制作鐵電記憶存儲器。鐵電記憶存儲器（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，當加到鐵電體上電場為零時，鐵電體上仍保持有一 定的極化強度Pr（或-Pr）,這個極化電荷的符號取決于該電體上原加場的符號。 若原來加的正場，則當外場變?yōu)榱銏鰰r，鐵電體上為正的剩余極化（ +Pr）而若

9、 是從負場變到零場，則此時剩余極化為負（-Pr）。正是利用這無外場時所有的 兩個穩(wěn)定極化 Pr作為計算機編碼0 （Pr）和1 （Pr）,這就是鐵電記憶及邏輯 電路的基礎(chǔ)。鐵電記憶存儲是鐵電體極少數(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)性鐵電存儲器應(yīng)用中，即使 電源突然中斷，其儲存的信息也可保持。鐵電體不僅作為一個電容，而且其本 身也作為一個存儲單元。鐵電存儲器由于其尺寸小（是通?？刹脸S機只讀存 儲器的20%,抗輻照（特別適用于軍用和航天使用），存儲讀取速度高，容易與 硅工藝相容，因而有很好的前景。目前鐵電隨機存儲器已有商品銷售，由其為 核心的智能

10、卡及作為嵌入式芯片已用于眾多家電的控制器如洗衣機、游戲機、 電視頻道存儲記憶器、復印機、收費站刷卡等等方面，隨大存儲量的產(chǎn)品出現(xiàn) 將在數(shù)碼相機、隨身聽中使用，市場前景看好。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)Pr-n）及鐵電保持性能（永久極化與時間關(guān)系Prt）0通常要求永久極化Pr 10 C/cm2,低-10矯玩場Ec 100kV/cm。好的疲勞特性，在鐵電翻轉(zhuǎn)10次時，永久極化很少變572化。在10秒內(nèi)可較好的保持電荷，漏電流

11、小于10 A/cm 。4、 實驗數(shù)據(jù)測量及分析1、運行應(yīng)用軟件，進入軟件主界面，打開主菜單的測量部分選擇“電滯回線測 量”選項，輸入“樣品名稱”、“樣品面積”、“樣品厚度”、“輸出電壓幅度”、“測 試周期點數(shù)”、“電滯回線周期”等參數(shù)。2、按“確定”鍵后，軟件彈出對話框“請輸入需保存的實驗數(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)自動進行電滯回線測量 圖像調(diào)節(jié)軟件中的最大電壓分別為 1000V, 1150V, 1300V, 1450V, 1600V,然后用輸 出數(shù)據(jù)在matlab中畫出圖像，將5條回線畫在同一張圖上有:1孫口 -1

12、oOO -1400 -i?on l1000 -000600 -4002000 -200 -對v=0附近數(shù)據(jù)擬合，得r = *3H-HrnD + KU產(chǎn)工“ - 2Be-06V +O.O015r剩余極化率 Pr=-65.65同理，對其他圖形做 相似處理，可得Vmax10001150130014501600Ps80.8583.4385.8687.8590.69Pr+65.1468.4270.4972.4274.83Pr-65.65-67.95-69.56-70.67-73.95Ec+193.20197.30206.30205.20212.00Ec-109.40-110.70-117.30-125.

13、30-131.20-150Vmax10001150130014501600Ps80.8583.4385.8687.8590.69Pr65.4068.1970.0371.5574.39禾IJ用 Pr=(Pr+ - Pr- ) /2 和 Ec=(Ec+ - Ec-)/2,可得:-800Ec 151.30154.00161.80165.25171.60為了清楚看出Ps (B), Pr (C), Ec (D)隨Vmax的變化關(guān)系，再做圖:分析：1、Ps, Pr, Ec隨Vmaxt曾大而增大，實驗數(shù)據(jù)所給出的結(jié)果與事實符合。因為 所加電壓的增大，樣品內(nèi)磁矩受到場的影響有序排列的程度就越高，這樣， 極化強

14、度就隨之增大。同樣，使樣品退磁化的矯頑場也隨之增大。2、Ps在800V是出現(xiàn)一個極小值，猜測是由于數(shù)據(jù)測量精度的問題。因為在讀 取數(shù)據(jù)時，由于單位坐標較大，讀數(shù)的誤差也很大。3、Pr+與Pr-并不相同，同時Ec+與Ec-也不相同。這是因為樣品并不完全對稱 的，經(jīng)過電壓變化的一個周期，樣品由于內(nèi)部響應(yīng)的問題和本身性質(zhì)的問 題，不可能出現(xiàn)完全對稱的標準電滯回線。4、極化強度的變化并沒有矯頑場的變化明顯，所以在研究物質(zhì)的電、磁性質(zhì)的時候，應(yīng)該選擇Ec作為參考量。5、實驗發(fā)現(xiàn)Ec+始終大于Ec-,在查閱資料后發(fā)現(xiàn)，這是由于交換偏置現(xiàn)象2. 通常情況下，鐵磁薄膜的磁滯回線以原點為對稱中心，若體系中引入反

15、鐵 磁層，當溫度降到一定時，體系的磁滯回線將產(chǎn)生一個偏移量，其矯頑力Hc相應(yīng)增大，此即交換偏置效應(yīng)，如圖11所示。猜想對電滯回線，也有同 樣的效應(yīng)。圖11F ee fe(r jn dgnetPmwd feronnnelii'：Nc exchange t as field -,=0SCa 1白rEii&ii&id'jviri 5mng電 口 Higer coercrvity H.5、 思考題與討論1 .試比較鐵電體與鐵磁體的同異。相同之處：1）電滯回線與磁滯回線相對應(yīng)，電疇與磁疇有很大類似性。都可以用來做記憶材料。2）順電-鐵電相變對應(yīng)順磁-鐵磁相變，它們都有居里

16、溫度的概念，并在順電（順磁）的情況下滿足居里-外斯定理.不同之處：1）鐵電疇壁的厚度很薄。大約是幾個品格常數(shù)的量級，但鐵磁疇壁則很厚，可達到幾百個品格常數(shù)的量級（例如對 Fe,磁疇壁厚約1000a ）,而且在磁疇 壁中自發(fā)磁化方向可逐步改變方向，而鐵電體則不可能。2）鐵電體在外電場作用下，自發(fā)極化的方向也只能在某幾個方向中變化。但 是鐵磁體在足夠強的外磁場作用下能夠完全轉(zhuǎn)到外場方向，而不論外場相對于 晶軸的角度如何2 .什么是鐵電體？試舉例說明你所知道的應(yīng)用。答：鐵電體的特征是必須具有自發(fā)極化，并且自發(fā)極化可以跟隨外場反向。鐵電體的重要參數(shù)就是：電滯回線、居里溫度、介電反常、并且滿足居里-外斯定律。鐵電體有壓電效應(yīng)：在缺少對稱中心的晶態(tài)物質(zhì)中，由電極化強度產(chǎn)生與 電場強度成線性關(guān)系的機械變形和反之由機械變形產(chǎn)生電極化強度的效應(yīng)。由 此可以制造對壓力敏感的傳感器。3 .鐵電薄膜為什么能用作數(shù)據(jù)存儲器，具優(yōu)點何在 ？答：鐵電記憶存儲器是利用鐵電體具有的電滯回線的性質(zhì)：若原來加