102鐵電薄膜鐵電性能的表征

1、實(shí)驗(yàn)10.210.2鐵電薄膜鐵電性能的表征一、引言鐵電體(Ferroelectrics)是這樣一類(lèi)材料：在一定溫度范圍內(nèi)存在自發(fā)極化，且自發(fā)極化具有兩個(gè)或多個(gè)可能的取向，在電場(chǎng)作用下其取向可改變。鐵電體并不含“鐵”，只是它與具有磁滯回線(xiàn)的鐵磁體相類(lèi)似，具有電滯回線(xiàn)，因而稱(chēng)為鐵電體(Ferroelectrics)。在某一溫度以上，它為順電相，無(wú)鐵電性，其介電常數(shù)服從居里一外斯(CurieJWeiss)定律。鐵電相與順電相之間的轉(zhuǎn)變通常為鐵電相變，轉(zhuǎn)變溫度稱(chēng)為居里溫度或居里點(diǎn) To 鐵電體即使在沒(méi)有外電場(chǎng)的作用下，內(nèi)部也會(huì)出現(xiàn)極化，這種極化稱(chēng)為自發(fā)極化。自發(fā)極化的出現(xiàn)是與材料的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)的。第一

2、個(gè)鐵電體是 1655 年住在法國(guó) Rochelle 的藥劑師 Seignett 所發(fā)現(xiàn)的羅息鹽(酒石酸鈉鉀NaKC4H4O6+4H2O),自本世紀(jì) 20 年代發(fā)現(xiàn)它的鐵電性以來(lái)，鐵電研究經(jīng)歷了四個(gè)階段：第一階段為 1920 至1939 年，發(fā)現(xiàn)了兩種鐵電結(jié)構(gòu)，即羅息鹽和 KH2PO4(KDP)系歹 U;第二階段發(fā)現(xiàn)了不含氫鍵，具有多個(gè)鐵電相的鐵電體 BaTiO3,在這階段開(kāi)始建立有關(guān)鐵電體的唯象理論并趨于成熟；到了 70 年代包括鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的 PbTiO3系列，鴇青銅系列在內(nèi)的大量鐵電體被發(fā)現(xiàn)，同時(shí)在相應(yīng)理論方面 Coheran 和 Anderson 提出鐵電軟模理論并得到完善；第四階段為 8

3、0 年代至今，研究集中于鐵電液晶、聚合物復(fù)合材料、薄膜材料和異質(zhì)結(jié)構(gòu)等非均勻系統(tǒng)。圖 1 鈦酸鉛的晶體結(jié)構(gòu)晶體的對(duì)稱(chēng)性可以劃分為 32 種點(diǎn)群。在無(wú)中心對(duì)稱(chēng)的 21 種點(diǎn)群的晶體類(lèi)型中除 432點(diǎn)群外其余 20 種都有壓電效應(yīng)，其中有 10 種具有極性的晶體(點(diǎn)群 1,2,m,3,3m,mm2,4,4mm,6,6mm)具有熱釋電性。它們具有自發(fā)極化，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，才能顯示出固有極化，這可以通過(guò)測(cè)量一閉合回路中流動(dòng)的電荷來(lái)觀(guān)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

4、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(xiàn)是鐵電體的一個(gè)主要特性。自發(fā)極化PS可用矢量來(lái)描述，在相變溫度，自發(fā)極化出現(xiàn)在晶體中造成一個(gè)特殊的方向。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，造成電荷正負(fù)重心不重合，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，這些表面束縛電荷將產(chǎn)生一退極化場(chǎng) Ed,它與PS方向相反。束縛電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)在晶體內(nèi)部與極化反向，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

5、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(chēng)為鐵電疇或疇（domain）,疇的間界叫疇壁（domainwall）。鐵電疇的出現(xiàn)是為了降低鐵電體由順電相到鐵電相相變時(shí)所帶來(lái)的彈性能和靜電能。但疇壁的存在引入疇壁能。施加幾十kV/cm 大于矯頑場(chǎng) Ec的外場(chǎng)時(shí)，鐵電疇將沿著同一個(gè)外場(chǎng)方向排齊?？傋杂赡苋O小值的條件決定了電疇的穩(wěn)定構(gòu)型。如簡(jiǎn)單的鈣鈦礦鐵電晶體有兩種極化，如圖 1 所示。在鈦酸鉛晶體中，Ti4+占據(jù)體心位置，Pb3+位于角落上，而 O2包落在面心位置上。在室溫下，穩(wěn)定的畸變的鐵電相，有凈偶極子貢獻(xiàn)一自發(fā)極化PS,數(shù)值為幾十心/cm。凈偶極子來(lái)源于 Ti4+相對(duì)于其他離子朝上或朝下

6、位移一定距離。如圖 2,在 PbTiO3中，退極化能可以通過(guò) 90。或 180。疇的形成來(lái)降低，但機(jī)械收縮帶來(lái)的彈性能由 90。疇（或其他為對(duì)稱(chēng) f 所允許的非 180。疇）來(lái)減小。不陽(yáng)燈加口門(mén)咫產(chǎn)肉山窩圖 2 鐵電疇的形成過(guò)程疇壁的類(lèi)型由晶體的鐵電和順電相的對(duì)稱(chēng)性決定。比如 Pb(ZrxTiiq)O3(PZT)的菱形相的極化方向?yàn)轶w對(duì)角,因此可能形成的疇壁有 180,71和 109;PZT 的四方相則可存在 90。和 180。疇。而在 SrBi2Ta2O3(SBT)薄膜中，通過(guò)電鏡已觀(guān)察到存在五種不同疇壁，即：90、180疇、反向疇界(Anti-PhaseBoundary,APB)、90+A

7、PB 和 180+APB,其中唯一的非極化的平移反相疇界APB 密度最高。用電子束加熱觀(guān)察到疇壁運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn) 180和90。疇壁極易沿反相疇界 APB 成核與長(zhǎng)大，這也可能是 SBT 抗疲勞的原因之一。鐵電薄膜中的疇壁為1nm10nm 的數(shù)量級(jí)。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解什么是鐵電體，什么是電滯回線(xiàn)及其測(cè)量原理和方法。2. 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。三、實(shí)驗(yàn)原理1 .鐵電體的特點(diǎn)(1)電滯回線(xiàn)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(xiàn)性關(guān)系。在電場(chǎng)作用下新疇成核長(zhǎng)大，疇壁移動(dòng)，導(dǎo)致極化轉(zhuǎn)向，在電場(chǎng)很弱時(shí)，極化線(xiàn)性地依賴(lài)于電場(chǎng)(見(jiàn)圖 3OA 段)，此時(shí)

8、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(xiàn)性段快。當(dāng)電場(chǎng)達(dá)到相應(yīng)于 B 點(diǎn)值時(shí)，總極化仍然有所增大(BC 段)并趨于飽和。如果趨于飽和后電場(chǎng)減小，極化將循 CBD 段曲線(xiàn)減小，以致當(dāng)電場(chǎng)達(dá)到零時(shí)，晶體仍保留在宏觀(guān)極化狀態(tài)，線(xiàn)段 OD 表示的極化稱(chēng)為剩余圖 3 鐵電體的電滯回線(xiàn)圖 4 測(cè)量電路圖極化 Pr(Permanentpolarization)。將線(xiàn)段 CB 外推到與極化軸相交于 E,則線(xiàn)段 OE 為飽和自發(fā)極化PS。如果電場(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(xiàn) DFG 所示，OF 所代表的電場(chǎng)是使極化等于零的電場(chǎng)，稱(chēng)為矯頑場(chǎng) Ec(

9、Covercivefield)。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(xiàn) CBDFGHC 所示，此曲線(xiàn)稱(chēng)為電滯回線(xiàn)(Hysteresisloop)。電滯回線(xiàn)可以用圖 4 的裝置顯示出來(lái)(這是著名的 Sayer-Toyer 電路)，以鐵電晶體作介質(zhì)的電容Cx上的電壓 Vx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 Vx與鐵電體的極化強(qiáng)度 P 成正比，因而示波器顯示的圖像，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(guān)測(cè)到 P_E 的電滯回線(xiàn)。下面證明 Vy和 P

10、 的正比關(guān)系，因1Vy工_CxVx-1-CyCx式中 3 為圖中電源 V 的角頻率；Cx=0S/d,e 為鐵電體的介電常數(shù)，曲為真空的介電常數(shù)，S 為平板電容 Cx的面積，d 為平行平板間距離，代入上式得：Cx；SVx二OSVx一一ECyCydCy根據(jù)電磁學(xué)對(duì)于鐵電體，E1,故有后一近似等式，代入前式,Vy因 S 與 Cy都是常數(shù)，故 Vy與 P 成正比。(2)居里點(diǎn) Tc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(chēng)為鐵電體的居里點(diǎn)。由于鐵電體的消失或出現(xiàn)總是伴隨著晶格結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，所以是個(gè)相變過(guò)程。已發(fā)現(xiàn)鐵電體存在二種相變：一級(jí)相變伴隨著潛熱的產(chǎn)生；二級(jí)相變呈現(xiàn)比熱的突變，而無(wú)

11、潛熱發(fā)生。鐵電相中自發(fā)極化總是和電致形變聯(lián)系在一起，所以鐵電相的晶格結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)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(chēng)為居里點(diǎn)，其他則稱(chēng)為轉(zhuǎn)變溫度。(3)居里一外斯定律由于極化的非線(xiàn)性，鐵電體的介電常數(shù)不是常數(shù)，而是依賴(lài)于外加電場(chǎng)的，一般以 OA曲線(xiàn)(如圖 3)在原點(diǎn)的斜率代表介電常數(shù)，即在測(cè)量介電常數(shù) e 時(shí)，所加外電場(chǎng)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(jí)達(dá) 104105。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)系為(4)鐵電體的分類(lèi)鐵電體的分類(lèi)方法很多，按其所含的基本單元的不同可劃分為以下幾種：含氧八面體的鐵電體。含氫鍵的鐵電體。含

12、其他離子基團(tuán)的鐵電體。鐵電聚合物與鐵電液晶。其中含氧八面體的鐵電體是鐵電體研究的一個(gè)主要方向，根據(jù)其空間排列方式，鐵電體還可以從結(jié)構(gòu)上進(jìn)一步分為：鈣鈦礦結(jié)構(gòu)：通式 ABO3如 BaTiO3,Pb(ZrTi)O3,其空間結(jié)構(gòu)如圖 1。焦綠石結(jié)構(gòu)：通式 A2B2O7如 CdzNb2O7等。鴇青銅結(jié)構(gòu)：通式 AB2O6如 PbT%O6等。Bi 系層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，又稱(chēng) Aurivllius 結(jié)構(gòu)：通式(Bi2O2)2+(AmBmO3m+1)2一,如 SrBi?Ta2O9(SBT),Bi4Ti3O12(BiT)等。2 .鐵電體的應(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(xiàn)性

13、光學(xué)性質(zhì)、電光性質(zhì)、聲光性質(zhì)、光折變性質(zhì)、鐵電存儲(chǔ)記憶性能等，因而在微電子和光電子等諸多高技術(shù)中有著很重要的應(yīng)用。圖 5 給出了鐵電體的大致應(yīng)用范圍：利用其壓電性能可制作電聲換能器，用于超聲波探測(cè)，聲納，諧振器，聲表面波器件等;利用其熱釋電性質(zhì)可制作紅外探測(cè)器，紅外監(jiān)視器，熱成像系統(tǒng)等；利用非線(xiàn)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)可制作電光開(kāi)關(guān)、光偏轉(zhuǎn)器、光調(diào)制器等；利用聲光效應(yīng)可制作聲光開(kāi)關(guān)、聲光偏轉(zhuǎn)器、聲光調(diào)制器等；利用光折變效應(yīng)可制成光存儲(chǔ)器件；而鐵電材料的鐵電性可制作鐵電記憶存儲(chǔ)器。圖 5 鐵電體的應(yīng)用3 .鐵電存儲(chǔ)應(yīng)用鐵電記憶存儲(chǔ)器(Ferroelectric

14、Memory)是利用鐵電體所具有的電滯回線(xiàn)性質(zhì)。如圖 3 所示，當(dāng)加到鐵電體上電場(chǎng)為零時(shí)，鐵電體上仍保持有一定的極化強(qiáng)度 Pr(或-Pr),這個(gè)極化電荷的符號(hào)取決于該鐵電體上原加電場(chǎng)的符號(hào)。若原來(lái)加的正場(chǎng)，則當(dāng)外場(chǎng)變?yōu)榱銜r(shí)，鐵電體、上為正的剩余極化(+Pr),而若是從負(fù)場(chǎng)變到零，則此時(shí)剩余極化為負(fù)(-Pr)。正是利用無(wú)外場(chǎng)時(shí)存在的兩個(gè)穩(wěn)定極化*r 作為計(jì)算機(jī)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(chǔ)是利用鐵電體的鐵電性能，而不是其他性能(如熱電、壓電、電光等)的應(yīng)用。在鐵電存儲(chǔ)器應(yīng)用中，即使電源突然中斷，其貯存的信息也可保持，因而通常稱(chēng)為非易失性鐵電隨機(jī)讀

15、取存儲(chǔ)器(Non-VolatileFerroelectricRandomAccessMemory,NV-FeRAM)。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)器具有尺寸?。ㄊ峭ǔ？刹脸S機(jī)只讀存儲(chǔ)器的 20%）,抗輻照（特別適用于軍用及航天使用），存儲(chǔ)讀取速度高，容易與硅工藝相容，低功耗等特點(diǎn)。特別是由于其以薄膜形式工作，可以在很低電壓工作，對(duì)于 100nm300nm 厚的鐵電薄膜，翻轉(zhuǎn)電壓僅為幾伏，很有實(shí)用價(jià)值，因而有很好的前景。目前鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器已有商品銷(xiāo)售，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)、Sony 游戲機(jī)（PlaystationPS2）、電視

16、頻道存儲(chǔ)記憶器、復(fù)印機(jī)、收費(fèi)站刷卡等方面，隨大存儲(chǔ)量的產(chǎn)品出現(xiàn)將在數(shù)碼相機(jī)、隨身聽(tīng)中使用，市場(chǎng)前景看好。1952 年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的 J.R.Anderson 首先提出了用鐵電材料來(lái)制備存儲(chǔ)器的思想，即利用鐵電晶體的電學(xué)雙穩(wěn)態(tài)特性，用可反轉(zhuǎn)的“上”“下”兩個(gè)方向的極化狀態(tài)，來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器操作。但由于當(dāng)時(shí)薄膜制備技術(shù)尚未發(fā)展，且早期的鐵電存儲(chǔ)器存在半選干擾問(wèn)題，疲勞問(wèn)題也非常顯著，再加上要使用昂貴的鐵電單晶材料，因此使得鐵電存儲(chǔ)器的設(shè)想在當(dāng)時(shí)未能實(shí)現(xiàn)，直到 90 年代初隨薄膜制備技術(shù)的發(fā)展才逐漸發(fā)展。目前已設(shè)計(jì)出的存儲(chǔ)器有三種，即非易失性鐵電隨機(jī)讀取存儲(chǔ)器（FeRAM）,鐵電場(chǎng)效應(yīng)管（FeFE

17、T）和鐵電動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）。FeRAM的工作原理為：當(dāng)鐵電存儲(chǔ)單元中的鐵電薄膜處于+Pr（或-Pr）狀態(tài)，相應(yīng)的鐵電存儲(chǔ)單元的信息為 1（或 0）,當(dāng)一個(gè)脈沖作用于存儲(chǔ)單元時(shí)，如果讀脈沖和存儲(chǔ)單元的極化相反，電疇將反轉(zhuǎn)，此時(shí)通過(guò)電容器的位移電流為反轉(zhuǎn)電流。當(dāng)脈沖方向與存儲(chǔ)單元的極化相同時(shí)，無(wú)極化反轉(zhuǎn)發(fā)生，此時(shí)鐵電薄膜只表現(xiàn)為線(xiàn)性的電容特征，位移電流為小電流。因此比較兩個(gè)電流就知道存儲(chǔ)狀態(tài)是 1 還是 0。目前具體的 FeRAM 實(shí)現(xiàn)方式有兩種，分別是 1T_1C（即一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管和一個(gè)電容）和 2TK 方式。前者占用空間比較小，有利于提高集成度，但是對(duì)大面積薄膜的均勻性要求較高。相反后

18、者占用空間較大，不適合高密度存儲(chǔ)，但對(duì)膜的均勻性要求不高。作為鐵電存儲(chǔ)器的使用的材料，關(guān)鍵是其存儲(chǔ)性能的穩(wěn)定性。但是在很多情況下外界條件的變化會(huì)對(duì)存儲(chǔ)能力有很大的影響。鐵電存儲(chǔ)器的性能包含許多的物理過(guò)程，如剩余極化（permanentpolarization）、疲勞（fatigue）、保持（retention）、抗輻照（irradiation）、漏電流 （leak-age） 、 記 （imprint） 、 老化 （age） 、 FormingGasAnnealing （FGA） 、 應(yīng)力效應(yīng) （stresseffect） 、疇結(jié)構(gòu)（domainstructure）、擇優(yōu)取向（orientati

19、on）和極化開(kāi)關(guān)（switching）問(wèn)題等。(1)剩余極化 Pr：首先有大的剩余極化才能保證不會(huì)造成存儲(chǔ)信息的錯(cuò)讀即誤碼，因此所選材料的自發(fā)極化的大小和該薄膜疇的取向是研究的重點(diǎn)。外延膜的生長(zhǎng)就是依靠人工的方法選擇合適的襯底或制備溫度以控制薄膜的取向生長(zhǎng)來(lái)得到較大的剩余極化。(2)疲勞性能：存儲(chǔ)器的“疲勞”定義為可開(kāi)關(guān)剩余極化 Pr 與雙極性脈沖波開(kāi)關(guān)次數(shù)的關(guān)系，即反復(fù)破壞性的電讀出而導(dǎo)致轉(zhuǎn)換電荷量的損失。尋找耐疲勞性能好的材料仍是目前鐵電材料研究的熱點(diǎn)。如果鐵電材料存在疲勞現(xiàn)象，則當(dāng)開(kāi)關(guān)次數(shù)達(dá)到一定值時(shí)，Pr數(shù)值將在減少，從而使得+Pr與-Pr相差很小，以致造成 1 與 0 信號(hào)分辨不清，

20、造成誤讀使存儲(chǔ)失效，這為鐵電疲勞。通常疲勞測(cè)試是測(cè)量剩余極化 Pr與開(kāi)關(guān)次數(shù) n 的關(guān)系。在鐵電存儲(chǔ)器應(yīng)用中通常要求存儲(chǔ)開(kāi)關(guān)在 109 次后，Pr下降在 10%以?xún)?nèi)。目前，關(guān)于鐵電薄膜的疲勞機(jī)制基本上多種，主要認(rèn)為聚集在薄膜電極界面附近的空間電荷阻礙了反向電疇的成核，或形成了低介電常數(shù)層，從而引起極化下降，這種情況稱(chēng)為“界面效應(yīng)”；另外一種認(rèn)為聚集在薄膜內(nèi)部的疇壁上的點(diǎn)缺陷(如氧空位等)釘扎了電疇，被釘扎的電疇在外場(chǎng)作用下不能反轉(zhuǎn)，從而對(duì)極化沒(méi)有貢獻(xiàn)，這種情況稱(chēng)為“體效應(yīng)”。關(guān)于疲勞的模型很多，各模型的不同主要集中在對(duì)材料內(nèi)部缺陷的認(rèn)識(shí)，包括缺陷的產(chǎn)生、重新分布及其對(duì)極化開(kāi)關(guān)的影響。(3)保持

21、、印記和老化：“保持”特性是指剩余極化經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后在無(wú)開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的減少，這種減少與正負(fù)剩余極化狀態(tài)無(wú)關(guān)；測(cè)試 Pr隨時(shí)間地變化，要求在 105秒內(nèi) Pr下降在 10%以?xún)?nèi)?！坝∮洝敝傅氖请姕鼐€(xiàn)的對(duì)稱(chēng)性的改變，即電滯回線(xiàn)中心不在零點(diǎn)而是偏向一邊，使得某一極化狀態(tài)在能量上占優(yōu)勢(shì)。在很多情況下印記可以造成兩個(gè)剩余極化狀態(tài)的不對(duì)稱(chēng)從而影響鐵電存儲(chǔ)器的記憶性能。頂電極和底電極材料的不同、熱歷史不同、體缺陷引起的內(nèi)偏電場(chǎng)等都有可能形成印記；老化則定義為由于溫度變化或者強(qiáng)外場(chǎng)而引起的材料的某個(gè)性能隨時(shí)間的改變。老化的機(jī)制有三種：一是鐵電疇內(nèi)各向異性缺陷的重新取向，二是缺陷對(duì)疇壁的釘扎，三是空間電荷形成內(nèi)

22、電場(chǎng)，使得疇壁穩(wěn)定。(4)極化開(kāi)關(guān)：“極化開(kāi)關(guān)”性能也是鐵電材料很重要的性能之一，開(kāi)關(guān)時(shí)間的大小直接影響存儲(chǔ)器的響應(yīng)速度和存取時(shí)間。極化開(kāi)關(guān)的過(guò)程是一個(gè)極化方向相反的鐵電疇的成核、生長(zhǎng)、合并的過(guò)程，該過(guò)程的快慢是由電疇成核時(shí)間及疇界動(dòng)性決定的，而疇界的動(dòng)性會(huì)受到很多因素的影響，如材料的結(jié)構(gòu)、應(yīng)力、缺陷等。鐵電材料的鐵電性能最為重要的表征是其電滯回線(xiàn)所反映的鐵電性能，包括飽和極化PS,永久極化 Pr,矯頑場(chǎng) Er等。而對(duì)于用于鐵電存儲(chǔ)器的鐵電薄膜來(lái)講，除此之外還有漏電流 Ik,鐵電疲勞性能（永久極化與開(kāi)關(guān)次數(shù)關(guān)系 Pr_n）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 Pr1

23、0（lO/cm2,矯頑場(chǎng) Er激光分子束外延（Laser-MolecularBeamEpitaxy）等。另一類(lèi)屬于化學(xué)氣相沉積法（CVD）,常見(jiàn)的有金屬有機(jī)源氣相沉積（MOOVD）和原子層化學(xué)氣相沉積（ALOVD）。此外，還有熱蒸發(fā)法，濕氧化法等其他制備方法。下面簡(jiǎn)要介紹幾種常見(jiàn)的制備方法。（1）濺射法：常見(jiàn)的有磁控濺射和離子束濺射。其優(yōu)點(diǎn)是制備薄膜的成本較低，可以制備供工業(yè)應(yīng)用的大面積薄膜。薄膜的制備不僅可以使用陶瓷靶材，也可在氧氣氛圍中使用金屬或合金靶材進(jìn)行反應(yīng)濺射。這種制備方法的缺點(diǎn)是，如果各組元的揮發(fā)性差別很大，濺射生長(zhǎng)的薄膜成分和靶材成分將會(huì)有較大偏差，而且其偏差大小與工藝制備條件有

24、關(guān)。（2）脈沖激光沉積法：PLD 方法是 20 世紀(jì) 80 年代迅猛發(fā)展起來(lái)的制備薄膜技術(shù)。它利用經(jīng)過(guò)聚焦而具有很高能流密度的紫外脈沖激光束瞬間融溶靶材，產(chǎn)生高壓高能的等離子體，最終在襯底上沉積成膜。此方法的最大優(yōu)點(diǎn)是沉積的薄膜與靶材的成分很接近，因而可以通過(guò)調(diào)控靶材的成分來(lái)嚴(yán)格控制薄膜成分。由于光源為能量較高的紫外脈沖激光束，所以PLD 能制備高熔點(diǎn)、多組分的氧化物薄膜和異質(zhì)結(jié)構(gòu)。其主要的缺點(diǎn)是不能制備大面積厚度均勻的薄膜。（3）激光分子束外延（LMBE）:其基本的原理與 PLD 相似。其主要的優(yōu)點(diǎn)是可在薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中進(jìn)行原位觀(guān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)單原子層生長(zhǎng)，從而可獲得高純度、厚度均勻可控的超薄膜，所

25、以 LMBE 特別適合用于生長(zhǎng)外延單晶膜或多層膜，缺點(diǎn)是 LMBE 生長(zhǎng)薄膜時(shí)要求較高的真空度（表 1 1 實(shí)驗(yàn)軟件計(jì)算得到的剩余極化、飽和自發(fā)極化和矯頑電場(chǎng)電壓/V/VP Ps s+P+Pr r-P-Pr rP Pr r+E+Ec c(V)(V)-E-Ec c(V)(V)EgEg120028.3222.5420.0221.28256.70174.20215.45122528.4622.6120.8721.74252.70173.00212.85125028.4823.3721.3222.34255.10169.70212.40127528.7123.1020.8421.97245.20169

26、.40207.30130029.0523.6620.7722.22256.40174.60215.50132529.1023.6621.9822.82252.30176.40214.35135029.5423.4522.2222.84259.00173.00216.00135529.3923.9621.9522.96258.00174.90216.45140029.7223.4521.8922.67259.40175.70217.55142529.6723.8421.8522.84257.60178.20217.90145030.2124.3321.5522.94256.10181.30218

27、.70147530.1924.0921.5722.83255.90183.70219.80150030.3823.8721.8822.88258.90178.00218.45152530.2824.7621.5523.16253.80181.70217.75155030.5924.2521.6622.96256.70179.00217.85圖 7 給出了這三個(gè)變量隨外加最大電壓的變化情況。電壓的增大而增大的趨勢(shì)。另外，這三個(gè)結(jié)果也可以通過(guò)對(duì)原圖的分析得到。我們下面以 1375V 的曲線(xiàn)為例（圖 8）,說(shuō)明從電滯回線(xiàn)曲線(xiàn)得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方法。電滯回線(xiàn)圖與 y=0 的兩個(gè)交點(diǎn)即為矯頑電場(chǎng)對(duì)應(yīng)的電壓值（OG、OH）;與 x=0 的兩個(gè)交點(diǎn)即為剩余極化對(duì)應(yīng)的電壓值（OC、OD）;而做電滯回線(xiàn)高電壓處的切線(xiàn)，可與 x=0 交于