鐵電薄膜鐵電性能的表征

1、鐵電薄膜鐵電性能的表征 鐵電性 吳超 131120120 物理學(xué) 【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，其介電常數(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。晶體的對稱性可以劃分為32種點(diǎn)群。在無中心對

2、稱的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主要特性。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(fù)電荷重心沿這個特殊方向發(fā)生相對位移

3、，使電荷正負(fù)重心不重合，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(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，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，每個小區(qū)域內(nèi)部電偶極子沿同一方向，但各個小區(qū)域電偶極子方向不同，這些小區(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?？傋杂赡苋O小值的條件決定了電疇的穩(wěn)構(gòu)型。 二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、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、了解鐵薄膜

4、材料的功能和應(yīng)用前景。 三、實(shí)驗(yàn)原理 1、鐵電體的特點(diǎn) （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(qiáng)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(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(dāng)電場達(dá)到相應(yīng)于b點(diǎn)值時，晶體成為單疇，極化趨于飽和。電場進(jìn)一步增強(qiáng)時，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(dāng)電場達(dá)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

5、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(fù)飽和值之間循環(huán)一周時，極化與電場的關(guān)系如曲線cbdfghc 所示此曲線稱為電滯回線。 極化pebcdfoa電場ehg圖12.2-1 鐵電體的電滯回線 cx vcy示波器 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），以鐵電晶體作介質(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)一個恒定電容cy(即普

6、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(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。 1v?cycx?下面證明vy和p的正比關(guān)系，y?12.2-1) 1vxcy?cx式中 ?為圖中電源v的角頻率cx?0sd?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： vy?cx?svx?0svx?0?e(12.2-2) cycydcy根據(jù)電磁學(xué) p?0(?1)e?0?e?0?e(12.2-3) 對于鐵電體

7、?1，固有后一近似等式，代入（12.2-2）式 ， vy?sp因s與cy都是常數(shù)，故vy與p成正比。 cy四、測量儀簡介 1、鐵電性能綜合測試儀硬件結(jié)構(gòu) 鐵電薄膜材料的測量儀主要包括可編程信號源、微電流放大器、積分器、放大倍數(shù)可編程放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、微機(jī)接口部分、微機(jī)和應(yīng)用軟件等部分組成。系統(tǒng)框圖見圖12-2-3，硬件系統(tǒng)由一臺計算機(jī)、信號調(diào)理電路部分組成。 圖12-2-3 鐵電性能測量儀結(jié)構(gòu)框圖 2、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 測量鐵電薄膜樣品的電滯回線，畫出電滯回線及得到鐵電薄膜材料的飽和極化ps、剩余極化pr、矯頑場ec、電容量c等參數(shù)。 【實(shí)驗(yàn)步驟】 1. 準(zhǔn)備工作：首先開啟計算機(jī)，閱

8、讀儀器說明書。 2. 初始化：在低電壓（100v）下運(yùn)行測量軟 件，開啟測量儀，并檢查探針位置是否正確。 3. 確定高壓區(qū)間?v ：調(diào)整高電壓和低電壓，觀察能出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)電滯回線的最大和最小的電壓值，并記錄為vmax和vmin，高壓區(qū)間為?v = vmax ?vmin。值得注意的是，軟件中輸入的高壓值在本次試驗(yàn)的試驗(yàn)儀上通常達(dá)不到，因此需要輸入比目標(biāo)電壓更高一些的電壓值，電壓值以實(shí)際高壓為準(zhǔn)。備注：高壓區(qū)間指的是保持標(biāo)準(zhǔn)電滯回線的最低和最高電壓。 4. 測量電滯回線：在剛剛確定的那個電壓范圍內(nèi)，選擇五個電壓值，間隔為?v /5，分別測量在這五個電壓值下的電滯回線，并且保留電滯回線測量數(shù)據(jù)。 5. 拷貝并帶回電滯回線測量數(shù)據(jù)，以便于后續(xù)數(shù)據(jù)處理使用。 6. 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，先關(guān)閉測量儀，后關(guān)閉計算 機(jī)。 7. 用 電 滯 回 線 測 量 數(shù) 據(jù)， 計 算 相 應(yīng) 的 數(shù) 據(jù)pr、ps、ec。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)處理 【實(shí)驗(yàn)得到的圖片截圖】 電壓500v ps85.28(uc/cm2) pr69.28(uc/cm2) -pr -69.54(uc/cm2) +vc193.37v -vc -117.30v 電壓550v ps 86.43(uc/cm2) pr 72.4