最新鐵電薄膜鐵電性能的表征

1、鐵電薄膜鐵電性能的表征一、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。二、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(dǎo)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(dāng)電場達到 相應(yīng)于 點值時，晶體成為單疇，極化趨于飽和。電場進一步增強時，由于感應(yīng)極化的增加， 總極化仍然有所增大段。如果趨于飽和后電場減小，極化將循段曲線減小，以致當(dāng)電場達到零時，晶體仍

2、保留在宏觀極化狀態(tài)，線段表示的極化稱為剩余極化。將線段 外推到與極化軸相交于 ，則線段為飽和自發(fā)極化 。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。這一過程如曲線所示,所代表的電場是使極化等于零的電場，稱為矯頑場。電場在正負飽和度之間循環(huán)一周時，極化與電場的關(guān)系如曲線所示此曲線稱為電滯回線。圖1鐵電體的電滯回線圖2測量電路圖電滯回線可以用圖 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 上的電壓 是加在示波器的水平電極板上，與串聯(lián)一個恒定電容（即普通電容），上的電壓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

3、度P成正比，因而示波器顯示的圖象，縱坐標反映的變化，而橫坐標與加在鐵電體上外電場強成正比，因而就可直接觀測到的電滯回線。下面證明 和的正比關(guān)系，因式中為圖中電源的角頻率;一，為鐵電體的介電常數(shù),為真空的介電常數(shù)，為平板電容 的面積，d為平行平板間距離，代入上式得:根據(jù)電磁學(xué)對于鐵電體，故有后一近似等式，代入上式因與 都是常數(shù)，故 與成正比。（2）居里點當(dāng)溫度高于某一臨界溫度時，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)總是伴隨著晶格結(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

4、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 曲 線（圖1）在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)量級達。當(dāng)溫度高于居里點時，介電常數(shù)隨溫度變化的關(guān)系為2、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(xué)性質(zhì)、電光性質(zhì)、聲光性質(zhì)、光折變性質(zhì)、鐵電記憶存儲性能等等， 都與

5、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，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)可制作光存儲器件；而鐵電材料的鐵電性可制作鐵電記憶存儲器。3、鐵電存儲應(yīng)用鐵電記憶存儲器是利用鐵電體所具有的電滯回線性質(zhì)。如圖1所示，當(dāng)加到鐵電體上

6、電場為零時，鐵電體上仍保持有一定的極化強度（或 ），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(dāng)外場變?yōu)榱銏鰰r，鐵電體上為正的剩余極化（）而若是從負場變到零場，則此時剩余極化為負（）。正是利用這無外場時所有的兩個穩(wěn)定極化作為計算機編碼0（）和1（），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?。ㄊ峭ǔ？刹脸S機只讀存儲器的20%）,抗輻照（

7、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(fù)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。1952年，貝爾實驗室的 J. R. Anderson首先提出了用鐵電材料來制備存儲器的思想，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”兩個方向的極化狀態(tài)，來實現(xiàn)計算機存儲器操作。但由于當(dāng)時薄膜制備技術(shù)尚未發(fā)展，且早期的鐵電存儲器存在半選干擾問題，疲勞問題也非常顯著， 再加上要使用昂貴

8、的鐵電單晶材料，因此使得鐵電存儲器的設(shè)想在當(dāng)時未能實現(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)計出的存儲 器有三種，即非易失性鐵電隨機讀取存儲器（FeRAM），鐵電場效應(yīng)管（FeFET和鐵電動態(tài)隨機存儲器（DRAM） o FeRAM的工作原理為：當(dāng)鐵電存儲單元中的鐵電薄膜處于（或 ）狀態(tài)，相應(yīng)的鐵電存儲單元的信息為1 （或0）,當(dāng)一個脈沖作用于存儲單元時，如果讀脈沖和存儲單元的極化相反，電疇將反轉(zhuǎn)，此時通過電容器的位移電流為反轉(zhuǎn)電流。當(dāng)脈沖方向與存儲單元的極化相同時，無極化反轉(zhuǎn)發(fā)生，此時鐵電薄膜只表現(xiàn)為線性的電容特征，位移 電流為小電流。 因此比較兩個電流就知道存儲狀態(tài)是 1

9、 還是。目前具體的 FeRAM 實現(xiàn)方式 有兩種，分別是 （即一個場效應(yīng)管和一個電容）和 方式。前者占用空間比較 小，有利于提高集成度， 但是對大面積薄膜的均勻性要求較高。相反后者占用空間較大，不 適合高密度存儲，但對膜的均勻性要求不高。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 ， 永久極化 ，矯玩場 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 ， 鐵電疲勞性能（永久極化與開關(guān)次數(shù)-n）及鐵電保持性能（永久極化與時間關(guān)系-t ）。通常要求永久極化，矯玩場。好的疲勞特性， 在鐵電翻轉(zhuǎn)次時，永久極化很少變化。在 105秒內(nèi)可較好的保持電荷，漏電

10、流小于。4、鐵電薄膜的制備用于鐵電存儲性能研究的鐵電電容是淀積在襯底上的鐵電薄膜 （如 ，等）， 為底電極。 然后用孔狀掩膜在鐵電薄膜的上表面用磁控濺射法制作上電極， 用于 性能測量。鐵電薄膜的制備方法多種多樣， 常見的大致可以分為兩類， 一類屬于物理氣相沉積 （）方法， 常見的有濺射法、 脈沖激光沉積法、激光分子束外延等。另一類屬于化學(xué)氣相沉積法（ ），常見的有金屬有機源氣相沉積（）和原子層化學(xué)氣相沉積（）。此外，還有熱蒸發(fā)法，濕氧化法等其他制備方法。下面簡要介紹幾種常見的制備方法。（ 1） 濺射法 ：常見的有磁控濺射和離子束濺射。其優(yōu)點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

11、。 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 金屬或合金靶材進行反應(yīng)濺射。 這種制備方法的缺點是， 如果各組元的揮發(fā)性差別很大， 濺 射生長的薄膜成分和靶材成分將會有較大偏差，而且其偏差大小與工藝制備條件有關(guān)。（ 2）脈沖激光沉積法 ： 方法是 20 世紀 80 年代迅猛發(fā)展起來的制備薄膜技術(shù)。它 利用經(jīng)過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)點是沉積的薄膜與靶材的成分很接近， 因而可 以通過調(diào)控靶材的成分來嚴格控制薄膜成分。 由于光源為能量較高的紫外脈沖激光束， 所以 能制備高熔點、多組分的氧化物薄

12、膜和異質(zhì)結(jié)構(gòu)。其主要的缺點是不能制備大面積厚度 均勻的薄膜。（ 3） 激光分子束外延（）：其基本的原理與 相似。其主要的優(yōu)點是可在薄膜生長過程中進行原位觀測， 實現(xiàn)單原子層生長， 從而可獲得高純度、 厚度均勻可控的超薄膜， 所以 特別適合用于生長外延單晶膜或多層膜，缺點是生長薄膜時要求較高的真空度 ，所以對儀器設(shè)備的要求很高。（ 4） 化學(xué)氣相沉積法（ ）：該方法的特點是在材料進行化學(xué)反應(yīng)合成的同時成膜， 其中以金屬有機物化學(xué)氣相沉積（）的用途最廣，一般工業(yè)生產(chǎn)用此法。這種方法的優(yōu)點是可以制備大面積均勻的薄膜包括外延單晶膜，而且薄膜沉積速率調(diào)控范圍很大。此方法的缺點是對于許多的氧化物材料而言，

13、能適用的具有 足夠高飽和蒸汽壓的金屬有機物源 （簡稱 源）難以合成。 原子層化學(xué)氣相沉積 （）能實現(xiàn)單原子層生長從而能制備出高質(zhì)量的超薄膜， 但是其技術(shù)的高要求和操作的復(fù)雜性使 得其應(yīng)用的普及性受到很大的限制。（ 5） 有機金屬沉積（）： 沉積是制備鐵電薄膜的最方便的技術(shù)，同時也是目前實驗室使用旋堡技術(shù)制備鐵電薄膜的方法。和旋堡技術(shù)結(jié)合制備薄膜有很多優(yōu)點：成分非常均勻且易控制； 與相比， 退火處理后薄膜中的含碳量低； 工藝簡單。但同時也有些不利之處， 比如只能在平面上沉積薄膜、 為達到所需厚度薄膜需通過多次旋堡 在層間會造成高缺陷密度，易產(chǎn)生漏電。三、實驗儀器TD-88A型鐵電性能綜合測試系統(tǒng)

14、配件清單:序號名稱規(guī)格型號數(shù)量備注1臺式微機12專用高速米集控制卡13鐵電性能綜合測試儀TD-88A 型14專用軟件TD-88A15專用測試平臺16專用三維微米級測試架27專用測試探針28專用測試電纜 12連接樣品用9專用測試電纜 22連接匹配電容用10專用通訊電纜2連接測試儀和微機四、實驗內(nèi)容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*oop的文件名后按“ 0K

15、”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和脈沖參數(shù)測量（測量時請注意主界面下側(cè)提示條的信息），以上兩項參數(shù)測量完成后系統(tǒng)彈出信息框“是否進行漏電流測量”，按“ YeS'則進行漏電流及電阻阻值測量，按“ No ”即完成測量。五、實驗結(jié)果3至圖9分別為通過實驗測量，改變不同的電壓參數(shù)，測量相應(yīng)的電滯回線，如下圖700、750、800、850、900、950、1000V 時的電滯回線。圖 3 U=700V圖 4 U=750V圖 5 U=800V圖 6 U=850V圖 7 U=900V圖 8 U=950V圖 9 U=1000V以下是通過計算機軟件自動計算出的材料的

16、 、 、 值，其結(jié)果如下表：表1以下是通過 matlab 軟件計算出的材料的 、 、 值，其結(jié)果如下表： 表2如圖 10 至圖 12 為對 、 、 的值隨電壓 U 的變化所做的圖， 如圖可知隨著電壓 U 的增大， 、 的值相應(yīng)的增大， 而 沒有明顯的變化， 可見 與電壓沒有明顯的關(guān)系。圖 10 隨電壓 U 的變化圖 11 隨電壓 U 的變化圖 12 隨電壓 U 的變化六、思考題1. 試比較鐵電體與鐵磁體的同異。答：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， 它們都有居里溫度的概念， 并在順電 （順

17、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。大約是幾個晶格常數(shù)的量級，但鐵磁疇壁則很厚，可達到幾百個晶格常數(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