铁电薄膜铁电性能表征实验报告

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1、铁电薄膜铁电性能的表征一、实验目的1、了解什么是铁电体，什么是电滞回线及其测量原理和方式。2、了解非挥发铁电随机读取存储器的工作原理及性能表征。二、实验原理一、铁电体的特点(1) 电滞回线铁电体的极化随外电场的转变而转变，但电场较强时，极化与电场之间呈非线性关系。在电场作用下新 畴成核长，畴壁移动，致使极化转向，在电场很弱时，极化线性地依托于电场见图1,现在可逆的畴壁移动 成为不可逆的，极化随电场的增加比线性段快。当电场达到相应于B点值时，晶体成为单畴，极化趋于饱 和。电场进一步增强时，由于感应极化的增加，总极化仍然有所增大(BC)段。若是趋于饱和后电场减小， 极化将循CBD段曲线减小，以致当

2、电场达到零时，晶体仍保留在宏观极化状态，线段0D表示的极化称为剩 余极化Pr。将线段CB外推到与极化轴相交于E,那么线段0E为饱和自发极化Ps。若是电场反向，极化将 随之降低并改变方向，直到电场等于某一值时，极化又将趋于饱和。这一进程如曲线DFG所示，OF所代表 的电场是使极化等于零的电场，称为矫顽场Ec。电场在正负饱和度之间循环一周时，极化与电场的关系如图1铁电体的电滞回线图2电滞回线的显示电滞回线能够用图2的装置显示出来（这确实是闻名的Sawyer-Tower电路），以电晶体作介质的电容Cx上的电压V是加在示波器的水平电极板上，与Cx串联一个恒定电容Cy （即一般电容），Cy上的电压Vy加

3、 在示波器的垂直电极板上，很容易证明Vy与铁电体的极化强度P成正比，因此示波器显示的图象，纵坐标 反映P的转变，而横坐标Vx与加在铁电体上外电场强成正比，因此就可直接观测到P-E的电滞回线。下面证明Vy和P的正比关系，因1V C= V 1 CX VcdCX式中3为图中电源V的角频率为铁电体的介电常数,L 为真空的介电常数,s为平板电容的面积，为 平行平板间距离，代入cV VV C XY（1）式得: 5 V 5 o= o EC d CVV依照电磁学P = &（8 -1） 8 &E = & 000关于铁电体8 1,固有后一近似等式，代入（2）式，因S与Cy都是常数，故吨与尸成正比。(2) 居里点T

4、c当温度高于某一临界温度Tc时，晶体的铁电性消失。这一温度称为铁电体的居里点。由于铁电体的消失 或显现老是伴随着晶格结构的转变，因此是个相变进程，已发觉铁电体存在两种相变：一级相变伴随着潜热 的产生，二级相变呈现比热的突变，而无潜热发生，又铁电相中自发极化老是和电致形变联系在一路，因此 铁电相的晶格结构的对称性要比非铁电相为低。若是晶体具有两个或多个铁电相时，最高的一个相变温度 称为居里点，其它那么称为转变温度。(3) 居里-外斯定律由于极化的非线性，铁电体的介电常数不是常数，而是依托于外加电场的，一样以0A曲线(图1)在 原点的斜率代表介电常数，即在测量介电常数时，所加外电场很小，铁电体在转

5、变温度周围时，介电常数 具有专门大的数值，数量级达141。5。当温度高于居里点时，介电常数随温度转变的关系二、铁电体和铁电存储的应用铁电体具有介电、压电、热释电、铁电性质和与之相关的电致伸缩性质、非线性光学性质、电光性质、 声光性质、光折变性质、铁电经历存储性能等等，都与其电极化性质相关，专门是电介质的热释电与铁电性 质都与其自发极化相关。由于铁电体具有上述性质，因此在诸多高技术中有着很重要的应用。利用其压电性 能可制作电声换能器，用于超声波探测，声纳，稳频振谐器，声表面波器件等；利用其热释电性质可制作红 外探测器，红外监视器，热成像系统等；利用非线性光学效应可制作激光倍频、三倍频、和频、差频

6、器；利 用电光性质可制作激光电光开关、光偏转器、光调制器等；利用声光效应可制作激光声光开关、声光偏转 器、声光调制器等；利用光折变效应可制作光存储器件；而铁电材料的铁电性可制作铁电经历存储器。铁电经历存储器(Ferroelectric Memory)是利用铁电体所具有的电滞回线性质。如图12. 2-1所示， 当加到铁电体上电场为零时，铁电体上仍维持有必然的极化强度Pr(或-Pr),那个极化电荷的符号取决于该 电体上原加场的符号。假设原先加的正场，那么当外场变成零场时，铁电体上为正的剩余极化(+Pr)而假 设是从负场变到零场，那么现在剩余极化为负(-Pr)o正是利用这无外场时所有的两个稳固极化土

7、 Pr作为 运算机编码0 (Pr)和1 (Pr),这确实是铁电经历及逻辑电路的基础。铁电经历存储是铁电体极少数利用铁电体的铁电性能去工作，而不是其他性能(如热电、压电、电光 等)的应用。在非挥发性铁电存储器应用中，即便电源突然中断，其贮存的信息也可维持。铁电体不仅作为 一个电容，而且其本身也作为一个存储单元。铁电存储器由于其尺寸小(是通常可擦除随机只读存储器的 20%）,抗辐照（专门适用于军用和航天利用），存储读取速度高，容易与硅工艺相容，因此有专门好的前 景。目前铁电随机存储器已有商品销售，由其为核心的智能卡及作为嵌入式芯片已用于众多家电的操纵器如 洗衣机、游戏机、电视频道存储经历器、复印机

8、、收费站刷卡等等方面，随大存储量的产品显现将在数码相 机、随身听中利用，市场前景看好。铁电材料的铁电性能最为重要的表征是其电滞回线所反映的铁电性能，包括饱和极化Ps,永久极化Pr, 矫玩场Ec等，而关于用于铁电存储器的铁电薄膜来讲，除此之外还有漏电流七，铁电疲劳性能（永久极化 与开关次数Pr）及铁电维持性能（永久极化与时刻关系Pr）。通常要求永久极化Pr 10rC/低矫玩场Ec100kV/cmo好的疲劳特性，在铁电翻转1】。次时，永久极化很少转变。在皿秒内可较好的维持电荷，漏电流小于1-7人/顷2。3、实验仪器TD-88A型铁电性能综合测试系统配件清单：序号名称规格型号数量备注1台式微机12专

9、用高速采集控制卡13铁电性能综合测试仪TD-88A 型14专用软件TD-88A15专用测试平台16专用三维微米级测试架27专用测试探针28专用测试电缆12连接样品用9专用测试电缆22连接匹配电容用10专用通讯电缆2连接测试仪和微机（1）铁电性能综合测试仪硬件结构铁电薄膜材料的测量仪要紧包括可编程信号源、微电流放大器、积分器、放大倍数可编程放大器、W 数转换器、数/模转换器、微机接口部份、微机和应用软件等部份组成。系统框图见图12-2-3,硬件系统由 一台运算机、一片带A/D、D/A及开关量操纵输出功能的运算机接口卡和信号调理电路部份组成。（2）测量电路目前，测量电滞回线的方式较多。其中测试方式

10、简单、应用最普遍的是Sawyer-Tower电路2 3,如 图12-2-4所示，其中虚框部份为铁电薄膜样品的等效电路，Cxi为线性感应等效电容，Rx为铁电薄膜样品 的漏电导及损耗等效电阻，Cxs为与自发极化反转对应的非线性等效电容。在理想情形下，假设只考虑Cxs的作用（以为Cxi与Rx开路），很容易证明Uy与铁电薄膜样品的极化 强度P成正比2。但一样情形下，铁电薄膜样品具有计算机部分A/D, D/A卡图3铁电性能测量仪结构框图 漏电导和线性感应电容，若是要取得铁电薄膜样品的本征电滞回线，必需在测量进程中对样品的漏电导和线 性感应电容进行适合的补偿，但这在实际测量中是较难处置的。另外，此电路中外

11、接积分电容C。的选取和 精度会阻碍测试的精准度，固然给铁电薄膜样品提供的信号源U的频率对测试，结果也有专门大的阻碍，如 此就较难对测试结果进行标定和校准。图4 Sawyer-Tower电路（虚框中为铁电薄膜样品等效电路）图5电滞回线测量电路(虚框中为铁电薄膜样品等效电路)咱们选用如图5所示的测量电路，此电路由信号源U、被测样品、电流放大器和积分器组成。信号源U 提供给被测样品的电流经电流放大器放大再经积分器积分后取得Uy进入测量系统。即便被测样品端加的电 压U为零，积分器上仍然维持电压，被测样品端是虚地的，因此此测试电路可称为虚地模式。此电路取消了 外接电容C。，可减小寄生元件的阻碍。此电路的

12、测试精度仅取决于积分器积分电容C1的精度，减少了对测 试的阻碍环节，比较容易定标和校准，而且能实现较高的测量准确度。4、实验注意事项(1) 必需先连接好测试线路并确认无误后再打开测试仪电源。在测量前先测电脑背景信号。(2) 当利用高电压信号源时，注意平安，测试操作时不能接触测试架。测试完成后先关闭测试仪电源。三、实验数据测量及分析一、运行应用软件，进入软件主界面，打开主菜单的测量部份选择“电滞回线测量”选项，输入“样品名 称”、“样品面积”、“样品厚度”、“输出电压幅度”、“测试周期点数”、“电滞回线周期”等参数。二、按“确信”键后，软件弹出对话框“请输入需保留的实验数据的文件名”，用户输入以

13、*. loop的文件 名后按“0K”键继续，回到软件主界面，按“开始测量”按键，系统自动进行电滞回线测量和脉冲参数测量(测量时请注意主界面下侧提示条的信息)，以上两项参数测量完成后系统弹出信息框“是不是进行漏电流 测量”，按“Yes”那么进行漏电流及电阻阻值测量，按“N。”即完成测量。图像调剂软件中的最大电压别离在1200V至lj 1550V之间，每距离25V取一个值，将15条回线画在同一张图上有：1500-1000-500-0-0505050505-5050 202225273032353740424547505255Pr+Pr-PrEc+Ec-Ec其中，Pr=(Pr+ + Pr-)/2 和

14、 Ec=(Ec+ + Ec-)/2-500|1| i r i f 1 i i-800-600-400-2000200400600800咱们大致能够猜想剩余极化Pr和矫顽场Ec随所加电压有必然的正相关关系。下面利用软件，从图像中读出 Pr+, Pr-，Ec+，Ec-，和饱和极化强度Ps。饱和极化强度Ps的确信，是从电滞回线的饱和区域引入切线，其和垂直轴的交点作为饱和极化强度的数 值。别离读出图上的这五个数值（表中Pr-和Ec-均为绝对值）。Ps，Pr，Ec随Vmax的转变关系如以下图Vmax12001225125012751300132513501375PsPr+Pr-PrEc+197Ec-Ec

15、Vmax1400142514501475150015251550Ps1150 1200 12S0 1300 13 比 1400 1450 16W 1550 1600162-160 -16S-脆IM-154152-ISO-1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600分析：Ps, Pr, Ec随Vmax增大而增大，实验数据所给出的结果与事实符合。因为所加电压的增大，样品内磁矩受 到场的阻碍有序排列的程度就越高，如此，极化强度就随之增大。一样，使样品退磁化的矫顽场也随之增 大。Pr+与Pr-并非相同，同时Ec+与Ec-也不相同。这是因为样品并非完

16、全对称的，通过电压转变的一个周期， 样品由于内部响应的问题和本身性质的问题，不可能显现完全对称的标准电滞回线。极化强度的转变并无矫顽场的转变明显，因此在研究物质的电、磁性质的时候，应该选择Ec作为参考量。 实验发觉Ec+始终大于Ec-,在查阅资料后发觉，这是由于互换偏置现象。通常情形下，铁磁薄膜的磁滞回 线以原点为对称中心，假设体系中引入反铁磁层，当温度降到一按时，体系的磁滞回线将产生一个偏移量， 其矫顽力He相应增大，此即互换偏置效应，如图11所示。猜想对电滞回线，也有一样的效应。2H-图11四、试探题与讨论1.试比较铁电体与铁磁体的同异。相同的地方：1) 电滞回线与磁滞回线相对应，电畴与磁

17、畴有专门大类似性。都能够用来做经历材料。2) 顺电-铁电相变对应顺磁-铁磁相变，它们都有居里温度的概念，并在顺电(顺磁)的情形下知足居些外 斯定理.不同的地方：1) 铁电畴壁的厚度很薄。大约是几个晶格常数的量级，但铁磁畴壁那么很厚，可达到几百个晶格常数的量级(例如对Fe,磁畴壁厚约1000a ),而且在磁畴壁中自发磁化方向可慢慢改变方向，而铁电体那么不可 能。2) 铁电体在外电场作用下，自发极化的方向也只能在某几个方向中转变。可是铁磁体在足够强的外磁场作 用下能够完全转到外场方向，而不论外场相关于晶轴的角度如何是铁电体？试举例说明你所明白的应用。答：铁电体的特点是在必然的温度范围内具有自发极化

18、，且自发极化能够因外电场的反向而反向。应用：制 备铁电经历存储器3. 铁电薄膜什么缘故能用作数据存储器，其优势安在？答：铁电经历存储器是利用铁电体具有的电滞回线的性质。假设原先加的正场，当外场变成零的时候，铁电 体上为正的剩余极化(+Pr),假设是从负场变到零，那么剩余极化为负(-Pr)o利用无外场时存在的两个稳 固极化土Pr,作为运算机编码0 (+Pr)和1 (-Pr)o铁电存储器尺寸小、抗辐射、存储读取速度高且功耗 低，容易与硅工艺相容。由于其以薄膜形式工作，能够在很低电压下工作，很有有效价值。4. 铁电薄膜表征中，要紧用哪些参数？答：剩余极化Pr、饱和自发极化Ps、矫顽场Ec和居里温度Tc等。