鐵電薄膜鐵電性能表征

鐵電薄膜鐵電性能表征＞實驗目的了解什么是鐵電體，什么是電滯回線及其測量原理和方法。了解鐵薄膜材料的功能和應用前景。＞實驗原理鐵電體的特點a）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系。在電場作用下新疇成核長，疇壁移動，導致極化轉向，在電場很弱時，極化線性地依賴于電場見圖（12.2-1），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，由于感應極化的增加，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Ec。電場在正負飽和度之間循環(huán)一周時，極化與電場的關系如曲線CBDFGHC所示此曲線稱為電滯回線。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（這就是著名的Sawyer-Tower電路），以電晶體作介質的電容C上的電壓V是加在示波器的水平電極板上，與C串聯(lián)一個恒定電容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與鐵電體的極化強度P成正比，因而示波器顯示的圖象，縱坐標反映P的變化，帶橫坐標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的正比關系，因1C=i(12.2-1)CyTOC\o"1-5"\h\z①CC=i(12.2-1)Cy—=^1尤①Cx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（12.2-1）式得:Jv#匕CYxCd(12.2-2)根據(jù)電磁學P=80(￡T)E0既=8oZE(12.2-3)對于鐵電體￡>>1，固有后一近似等式，代入（12.2-2）式，因S與°y都是常數(shù)，故噸與P成正比。b）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)總是伴隨著晶格結構的轉變，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，所以鐵電相的晶格結構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，其它則稱為轉變溫度。c）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OA曲線（圖12.2-1）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，鐵電體在轉變溫度附近時，介電常數(shù)具有很大的數(shù)值，數(shù)量級達104-105。當溫度高于居里點時，介電常數(shù)隨溫度變化的關系￡=一-一+￡（12.2-5）T-TC80＞實驗過程打開“鐵電高壓”軟件，初始化，將測試點間隔調至1000”，然后再打開兩個測試儀的電源，以保證開機時的隨機信號不會損傷兩測試儀。在鐵電薄膜上加700-1000V高壓，每50V測量一次鐵電薄膜的電滯回線，每一特定電壓下得到飽和自發(fā)極化Ps、剩余極化Pr和矯頑場Ec各一對（分正負），研究這三個量隨外加高壓的變化情況，以此研究鐵電薄膜的鐵電性能的表征。＞數(shù)據(jù)分析：圖4.1-4.7為實驗測得的電滯回線（包含為求得飽和自發(fā)極化Ps的擬合直線）-12QD-aoo電口?rr-1200圖4.2750V的電滯回線■00」■1000圖4.3800V的電滯回線-12DQ80電壓LW12JJ80圖4.5900V的電滯回線電上火昆，玉■'/圖4.6950V的電滯回線實驗測得的數(shù)據(jù)如下:匚V(V)+Ps(pc/cm2)+Pr(^c/cm2)-Pr(pc/cm2)|Pr|(pc/cm2)+Vc(V)-Vc(V)IVcI(V)70057.21054.031-52.66753.349453.127-454.954454.04175058.54055.200-53.64154.421458.012-461.334459.67380059.73056.369-54.74555.557476.750-471.355474.05385061.92057.538-56.04456.791471.901-477.576474.73990059.44058.967-55.20057.084474.622-486.040480.33195058.91058.837-55.46057.149479.162-497.695488.429100058.29058.317-54.77856.548482.200-506.375494.288表1電壓對飽和自發(fā)極化Ps、剩余極化Pr和矯頑場Ec的影響分別對+Ps—V關系、IPrl—V關系、IVcl—V關系作圖，并給予分析（1）+Ps—V關系-■-^Ps（uc/cm2）圖1+Ps—V關系圖從圖中可以看出，Ps隨電壓變化先增大再減小，在圖1+Ps—V關系圖從圖中可以看出，Ps隨電壓變化先增大再減小，在850V處出現(xiàn)了極值。700V到850V呈現(xiàn)單調上升的原因是極化電壓越高，鐵電體內的電偶極矩越傾向于沿外場方向排列，總極化越趨向于飽和，縱坐標P越大。850V到1000V呈現(xiàn)單調下降的原因可能是由于鐵電體已經達到飽和極化，再增加電壓反而會導致內部極化不穩(wěn)定而出現(xiàn)下降（2）IPrl—V關系IPrI隨著極化電壓的變化與Ps—V的變化關系是類似的，機理也是類似的，其隨著電壓的增大關系可解釋為：極化電壓越高，鐵電體內的電偶極矩越傾向于沿外場方向排列，總極化越趨向于飽和，在850V附近出現(xiàn)飽和，當?shù)竭_飽和狀態(tài)后趨于穩(wěn)定。(WMn)SCL+圖2IPr|—V關系圖(3)IVcI—V關系從圖中可以看出Vc和V呈線性正相關的關系(除了800V點處誤差較大)，原因是所加的極化電場越大，鐵電體的極化程度越大，所需消除極化的矯頑場就越大。而且由之前的數(shù)據(jù)可以看出正負矯頑場基本都相等，說明儀器的精確度較高。圖3IVcI—V關系圖思考題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，電疇與磁疇有很大類似性。都可以用來做記憶材料。2）順電-鐵電相變對應順磁-鐵磁相變，它們都有居里溫度的概念，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到外場方向，而不論外場相對于晶軸的角度如何什么是鐵電體？試舉例說明你所知道的應用。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：在缺少對稱中心的晶態(tài)物質中，由電極化強度產生與電場強度成線性關系的機械變形和反之由機械變形產生電極化強度的效應。由此可以制造對壓力敏感的傳感器。鐵電薄膜為什么能用作數(shù)據(jù)存儲器，其優(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：若原來加的正場，當外場變?yōu)榱愕臅r候