鐵電薄膜鐵電性能的表征

鐵電薄膜鐵電性能的表征摘要：鐵電體是這樣一類晶體:在一定溫度范圍內(nèi)存在|'1發(fā)極化，H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。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。本實驗主要進行電滯回線的測蛾，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。關(guān)鍵詞：鐵電性、薄膜、電滯回線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Tc。鐵電體即使在沒有外界電場作用F，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種點群。在無中心對稱的21種晶體類型種除432點群外其余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，其特點就是自發(fā)極化強度可因電場作用而反向，因而極化強度和電場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。晶體紅，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)生位移，使電荷正負(fù)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(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。總自由能取極小值的條件決定了電疇的穩(wěn)定性。一、 實驗?zāi)康牧私馐裁词氰F電體，什么是電滯回線及其測量原理和方法。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、 實驗原理鐵電體的特點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(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，由于感應(yīng)極

化的增加，總極化仍然有所增大（BC）段o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)電場達到零時，晶體仍保留在宏觀極化狀態(tài)，線段0D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0E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Eco電場在正負(fù)飽和度之間循環(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。圖12.2-1鐵電體的電滯回線圖12.2-1鐵電體的電滯回線圖12.2-2測量電路圖電滯回線可以用圖12.2-2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G上的電壓V是加在示波器的水平電極板上，與G串聯(lián)一個恒定電容G（即普通電容），G上的電壓V,加在示波器的垂直電極板上，很容易證明V,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(biāo)反映P的變化，而橫坐標(biāo)V*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V,和P的正比關(guān)系，因：1(12.2-1)VyKCx(12.2-1)式中刃為圖中電源V的角頻率:￡為鐵電體的介電常數(shù)，句為真空的介電常數(shù),S為平板電容C、的面積，d為平行平板間距離，代入（12.2-1）式得：(12.2-2)義=二乂=--=—5-EyCYCydcy(12.2-2)根據(jù)電磁學(xué)：(12.2-3)P=%（￡_1）E"成：二%亦(12.2-3)對于鐵電體￡>>1，固有后一近似等式，代入（12.2-2）式,v,=fp因S與Cy都是常數(shù)，故方與P成正比。（2） 居里點Tc當(dāng)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(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0A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(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104~105。當(dāng)溫度高于居里點時，介電常數(shù)隨溫度變化的關(guān)系

(12.2-5)c(12.2-5)—~~ +%T-舄C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。鐵電儲存應(yīng)用鐵電記憶存儲器（FerroelectricMemory）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(dāng)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(dāng)外場變?yōu)榱銏鰰r,鐵電體上為正的剩余極化（+Pr）而若是從負(fù)場變到零場，則此時剩余極化為負(fù)（-Pr）。正是利用這無外場時所有的兩個穩(wěn)定極化土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，而旦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（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己有商品銷侈，由其為核心的智能卡及作為成入式芯片己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。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)R~n）及鐵電保持性能（永久極化與時間關(guān)系通常要求永久極化R>10/；/cm2,低矯玩場Ec<IQQkV/an.好的疲勞特性，在鐵電翻轉(zhuǎn)10】°次時，永久極化很少變化。在IO、秒內(nèi)可較好的保持電荷，漏電流小于10-7A/an2o鐵電薄膜的制備方法目前制備鐵電薄膜的方法主要有：Sol-Gel凝膠法、M0CVD法、PLD法和濺射法。在這些制備方法中，每一種都有自身的特點。（1）Sol-Gel凝膠法:Sol-Gel凝膠法是將金屬的醇鹽或其他有機鹽溶解于同一溶劑中，經(jīng)過水解、聚合反應(yīng)形成溶膠。通過甩膠在基片上形成薄膜，經(jīng)過干燥和退火處理，形成鐵電薄膜。此方法能夠精確控制膜的化學(xué)計量比和摻雜，易于制備大面積的薄膜，適于大批量生產(chǎn)，設(shè)備簡單，成本低，可與微電子工藝技術(shù)相兼容。但這種方法易有不足之處，如膜的致密性較差，干燥處理過程中薄膜一出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象,薄膜結(jié)構(gòu)和生長速率對基片和電極材料很敏感。迄今為止,利用該方法己制備出PT、PZT、PLZT、BT、ST、BST等多種鐵電薄膜。（2）MOCVD法:MOCVD法是將反應(yīng)氣體和1化的金屬有機物前體溶液通過反應(yīng)室，經(jīng)過熱分解沉積在加熱的襯底上形成薄膜。此法的主要優(yōu)點是薄膜生長速率快，可制備大面積薄膜，能精確控制薄膜的化學(xué)組分和厚度。但這種方法受制于金屬有機源（M0）的合成技術(shù)，難以找到合適的金屬有機源，僅能用于少數(shù)幾中薄膜的制備。采用此方法己制備出PT、PZT、PLZT、BT及LN等鐵電薄膜。（3） PLD法:PLD法是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種新型薄膜沉積技術(shù)。它利用高功率的準(zhǔn)分子脈沖激光照射到一定組分比的靶材上，使靶表面的數(shù)十米厚的物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橛疠x狀等離子體,沉積到襯底上形成薄膜。這種方法的主要優(yōu)點是：能源無污染：薄膜成分與靶材完全一致，因而可嚴(yán)格控制：襯底溫度較低，可獲得外延單晶膜：成膜速率快。但這種方法難以制備大面積均勻性好的薄膜。目前利用PLD方法己制備了PT、PZT、BT0、及KTN等鐵電薄膜。（4） 濺射法:濺射法包括直流濺射、射頻磁控濺射和離子束濺射。濺射法的主要優(yōu)點是工藝比較成熟，沉積溫度較低，可獲得外延膜。但這種沉積膜速率較慢，組分和結(jié)構(gòu)的均勻性比較難于控制。三、 實驗內(nèi)容通過鐵電薄膜的電滯回線測量得到薄膜的永久極化Pr、矯頑場Ec,漏電流Ik,這是鐵電薄膜的鐵電性能的表征。研究鐵電存儲有關(guān)的性能，測量用于存儲記憶的鐵電薄膜的開關(guān)疲勞性能及保持性能。四、 實驗過程運行應(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)。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“0K”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（測量時請注意主界而卜.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"N?！奔赐瓿蓽y量。實驗注意事項（1） 必須先連接好測試線路并確認(rèn)無誤（注意T?萬不要將信號源短路）后再打開測試儀電源。（2） 當(dāng)使用高電壓信號源時，注意安全，測試操作時不能接觸測試架。測試完成后先關(guān)閉測試儀電源。五、實驗結(jié)果當(dāng)匾x=700V時，其電滯回線及電滯回線BC（見圖12.2-1）段擬合線如下圖:可得Ps=55.269(uc/cm2)o當(dāng)X=750V時，其電滯回線及電滯回線BC（見圖12.2-1）段擬合線如下圖:可得Ps=56.712(uc/cm2)o當(dāng)竭ax=800V時，其電滯回線及電滯回線BC（見圖12.2-1）段擬合線如下圖:可得Ps=56.904(uc/cm2)o當(dāng)竭ax=850V時，其電滯回線及電滯回線BC（見圖12.2-1）段擬合線如下圖:可得Ps=57.859(uc/cm2)o當(dāng)X=900V時，其電滯回線及電滯回線BC（見圖12.2-1）段擬合線如下圖:當(dāng)端ax=950V時，其電滯回線及電滯回線BC（見圖12.2-1）段擬合線如下圖:可得Ps=132.935(uc/cm2)o當(dāng)端ax=1000V時，其電滯回線及電滯回線BC（見圖12.2-1）段擬合線如下圖:1340n?BUnoarFitofB可得Ec=132.935(uc/cm2)o1335-d1330?1325-1J20H 11340n?BUnoarFitofB可得Ec=132.935(uc/cm2)o1335-d1330?1325-1J20H 1 1 1 1 1 1 1f5006S9WW1000 1W0Vmax7007508008509009501000Ps(uc/cm2)55.26956.71256.90457.85958.926132.935132.935+Pr(uc/cm2)49.81051.75852.27852.99253.771132.935132.935-Pr(uc/cm2)-45.914-49.940-50.524-51.109-51.628-133.000-133.000+Vc(V)392.212390.381415.771407.959432.129570.374599.670-Vc(V)-420.227-420.410-447.754-441.956-432.129-570.374-599.670實驗得到數(shù)據(jù)表如K：由上表可以看出對于％