鐵電薄膜鐵電性能的表征二及相關使用設備

***、 實驗目的

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、了解非揮發(fā)鐵電隨機讀取存儲器的工作原理及性能表征。

3、推薦使用設備：FE-5000型鐵電測試儀

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。當電場達到相應于點值時，晶體成為單疇，極化趨于飽和。電場進***步增強時，由于感應極化的增加，總極化仍然有所增大 。如果趨于飽和后電場減小，極化將循段曲線減小，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***值時，極化又將趨于飽和。這***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)***周時，極化與電場的關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***的 Sawyer-Tower電路），以電晶體作介質的電容上的電壓是加在示波器的水平電極板上，與串聯(lián)***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系，因

式中為圖中電源的角頻率；，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

對于鐵電體，，故有后***近似等式，代入上式 ，

因與 都是常數(shù)，故與成正比。

（2）居里點當溫度高于某***臨界溫度時，晶體的鐵電性消失。這***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：相變伴隨著潛熱的產(chǎn)生，二***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***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，的***個相變溫度稱為居里點，其它則稱為轉變溫度。

（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，***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，鐵電體在轉變溫度附近時，介電常數(shù)具有很大的數(shù)值，數(shù)量***達。當溫度高于居里點時，介電常數(shù)隨溫度變化的關系為

2、鐵電體和鐵電存儲的應用

鐵電體具有介電、壓電、熱釋電、鐵電性質以及與之相關的電致伸縮性質、非線性光學

性質、電光性質、聲光性質、光折變性質、鐵電記憶存儲性能等等，都與其電極化性質相關，特別是電介質的熱釋電與鐵電性質都與其自發(fā)極化相關。由于鐵電體具有上述性質，因而在諸多高技術中有著很重要的應用。

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；利用非線性光學效應可制作激光倍頻、三倍頻、和頻、差頻器；利用電光性質可制作激光電光開關、光偏轉器、光調制器等；利用聲光效應可制作激光聲光開關、聲光偏轉器、聲光調制器等；利用光折變效應可制作光存儲器件；而鐵電材料的鐵電性可制作鐵電記憶存儲器。

3、鐵電存儲應用

鐵電記憶存儲器是利用鐵電體所具有的電滯回線性質。如圖1所示，當加到鐵電體上電場為零時，鐵電體上仍保持有***定的極化強度，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。

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）的應用。在非揮發(fā)性鐵電存儲器應用中，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***個電容，而且其本身也作為***個存儲單元。鐵電存儲器由于其尺寸小（是通?？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已有商品銷售，由其為的智能卡及作為嵌入式芯片已用于眾多***電的控制器如洗衣機、游戲機、電視頻道存儲記憶器、復印機、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***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雙穩(wěn)態(tài)特性，用可反轉的“上”、“下”兩個方向的極化狀態(tài)，來實現(xiàn)計算機存儲器操作。但由于當時薄膜制備技術尚未發(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，再加上要使用昂貴的鐵電單晶材料，因此使得鐵電存儲器的設想在當時未能實現(xiàn)，直到90年代初隨薄膜制備技術的發(fā)展才逐漸發(fā)展。目前已設計出的存儲器有三種，即非易失性鐵電隨機讀取存儲器（FeRAM），鐵電場效應管（FeFET）和鐵電動態(tài)隨機存儲器（DRAM）。FeRAM的工作原理為：當鐵電存儲單元中的鐵電薄膜處于（或）狀態(tài)，相應的鐵電存儲單元的信息為1（或0），當***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，此時通過電容器的位移電流為反轉電流。當脈沖方向與存儲單元的極化相同時，無極化反轉發(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還是。。目前具體的FeRAM實現(xiàn)方式有兩種，分別是（即***個場效應管和***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，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（極化與開關次數(shù)- n）及鐵電保持性能（極化與時間關系- t ）。通常要求極化，矯玩場。好的疲勞特性，在鐵電翻轉次時，極化很少變化。在105秒內可較好的保持電荷，漏電流小于。

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，***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***類屬于化學氣相沉積法（），常見的有金屬有機源氣相沉積（）和原子層化學氣相沉積（）。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)應用的大面積薄膜。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。

（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。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，終在襯底上沉積成膜。此方法的優(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、多組分的氧化物薄膜和異質結構。其主要的缺點是不能制備大面積厚度均勻的薄膜。

FE-5000型寬量程鐵電性能測試儀

關鍵詞:電滯回線 ,鐵電測試儀，電壓，頻率 ，電致應變

***、產(chǎn)品介紹：

  FE-5000型寬量程鐵電性能測試儀是***款高量程款的鐵電性能材料測試裝置，這款設備可以適用于鐵電薄膜、鐵電體材料（既可塊體材料）的電性能測量，可測量鐵電薄膜電滯回線、可測出具有非對稱電滯回線鐵電薄膜值。而且可以測量電致應變參數(shù)。

二、主要技術指標：

1.輸出信號電壓：：0±3000V，±5000V，±10000V多種可選。

2.輸出信號頻率：0.2到100Hz（陶瓷、單晶），1到1kHz(薄膜）

3.電容范圍：電流0到±6mA（陶瓷、單晶），±50mA(薄膜）連續(xù)可調,: ≤1%。

4.電流范圍: 1nA～10A ,: ≤1%。

5. 匹配高溫電致應變測試模塊、夾具及自動采集軟件。（可選）

6.測試速度：測量時間《5秒/樣品?溫度點

8. 樣品規(guī)格：塊體材料尺寸：直徑2-100mm，厚度0.1-10mm，薄膜：直徑：1-60mm

9. 數(shù)據(jù)采集分析軟件： 能畫出鐵電薄膜的電滯回線，定量得到鐵電薄膜材料的飽和極化Ps、剩余極化Pr、矯頑場Ec、漏電流等參數(shù);可以進行鐵電薄膜材料的鐵電疲勞性能、鐵電保持性能的測試，電阻測量，漏電流測量。

10、控制方式：計算機實時控制、實時顯示、實時數(shù)據(jù)計算、分析與存儲

11、軟件采集：自動采集軟件，分析可以兼容其他相關主流軟件。

（文章來源于互聯(lián)網(wǎng)）