《有机铁电材料》由会员分享，可在线阅读，更多相关《有机铁电材料（21页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划有机铁电材料目录摘要?1Abstract?11前言?12压电材料?23储能用铁电介质材料?3BaTiO3基陶瓷?3SrTiO3基陶瓷?4TiO2陶瓷?4PMN基陶瓷以铌镁酸铅?44有机铁电薄膜材料?45铁电阻变材料?56多铁性材料?57铁电材料的应用?5铁电存储器(MFSFET)?6铁电存储器的应用?88结语?9参考文献?10铁电材料及其在存储器领域的应用摘要：铁电材料的优秀电学性能孕育了它广阔的应用前景，其电子元件有着集成度高、能耗小、响应速度快等众多优点。而且目前研究者将铁电材料
2、同其它技术相结合，使新诞生的集成铁电材料性能更为优秀。介绍了铁电材料的发展历史和当前的应用概况。关键词：铁电材料；铁电性；存储器；应用ApplicationofferroelectricmaterialsandintheareaofmemoryAbstract：Ferroelectricmaterials,oneofthecurrentresearchfocuseswithnumbersofphysicaladvantagessuchashighintegration,lowenergyconsumptionandfastresponse,hasbroadapplicationprospect
3、sinmanyaspectsBeingcombinedwithotherphysicaltechnologies,thepropertiesofferroelectricmaterialscanbesignificantlyimprovedDescribesthehistoricaldevelopmentofferroelectricmaterialsandcurrentapplicationsKeywords：ferroelectricmaterials；Ironelectrical；memorizer；development1前言铁电材料，是指具有铁电效应的一类材料，最早的铁电效应是在19
4、20年由法国人Valasek在罗谢尔盐中发现的，这一发现揭开了研究铁电材料的序幕。在1935年Busch发现了磷酸二氢钾KH2PO4简称KDP，其相对介电常数高达30，远远高于当时的其它材料。1940年之后，以BaTiO3为代表的具有钙钛矿结构的铁电材料陆续被发现，这是铁电历史上里程碑式的时期。直至20世纪80年代，随着铁电唯象理论和软膜理论的逐渐完善，铁电晶体物理内涵的研究趋于稳定。20世纪80年代中期，薄膜制备技术的突破为制备高质量的铁电薄膜扫清了障碍，并且近年来随着对器件微型化、功能集成化、可靠性等要求的不断提高，传统的铁电块体由于尺寸限制已经不能满足微电子器件的要求。铁电器件在向薄膜尺
5、寸量级过渡的同时又与半导体工艺结合，研究者们迎来了集成铁电体的时代。集成铁电体是凝聚态物理和固体电子学领域的热门课题之一。铁电材料有着丰富的物理内涵，除了具备铁电性之外，还具有压电性、介电性、热释电性、光电效应、声光效应、光折变效应以及非线性光学效应等众多性能，可用于制备电容器件、压力传感器、铁电存储器、波导管、光学存储器等一系列电子元件，铁电材料因其广阔的应用前景而备受关注。目前的铁电器件往往仅单独用到了铁电材料中的单一性能，如压电性或者热释电性。将铁电材料中的性能综合在一起或者将铁电技术同半导体等其它技术结合在一起的集成铁电材料有着更为强大的功能。铁电材料的研究进展主要包括：提高现有材料的
6、单一性能，如压电材料中准同型相界以及合适的晶格取向会大幅度提高压电系数。开发新型铁电材料，如存储能量的电介质和有机铁电材料。将铁电性同其他性能结合，包括可以实现磁电互控的具备多种初级铁性的多铁材料，以及可以通过铁电极化调控材料内部电阻的铁电阻变材料。2压电材料所有的铁电材料都同时具备铁电性和压电性。铁电性是指在一定温度范围内材料会产生自发极化。由于铁电体晶格中的正负电荷中心不重合，因此即使没有外加电场，也能产生电偶极矩，并且其自发极化可以在外电场作用下改变方向1。当温度高于某一临界值时，其晶格结构发生改变，正负电荷中心重合，自发极化消失，这一温度临界值称为居里温度(Tc)。压电性是实现机械能电
7、能相互转换的一种性质。若在某一方向上给材料施加外力使材料发生形变，其内部会发生极化并在表面产生电荷，这就是压电效应;相反，若给材料施加电场则材料会发生形变而产生机械力，这就是逆压电效应。所有的铁电材料都具备上述2种特性，这是构建机电系统的材料基础之一。随着器件微型化要求的逐步提高，传统的压电块体正逐步向压电薄膜过渡，特别是微机电系统(MicroElectromechanicalSystem，MEMS)的出现以及薄膜生长技术的完善，使压电薄膜成为主要的研究内容。并非所有的压电材料都具备铁电性，如压电薄膜ZnO，AlN就不具备铁电性。这两者有着近似的压电性能，都在0001方向上表现出压电性。一般来
8、说AlN比ZnO有着更大的优势，首先AlN能够更好地和Si基的半导体技术兼容。另外，AlN的能隙高达6eV，有着更好的电绝缘性，而ZnO的能隙只有3eV，并且Zn离子容易变价2，因此制备绝缘性好的ZnO非常困难。良好的直流导电性会使材料在低频下的介电损耗变大，基于这类材料的传感器和驱动器在10KHz以下工作时有很大的损耗。表1列出了3种压电薄膜的主要性能参数3-5。表1不同类型压电薄膜的压电性能、介电性能对比3储能用铁电介质材料作为脉冲功率技术设备主体部分的高功率脉冲电源，为脉冲功率装置的负载提供电磁能量，主要由初级能源、能量储存系统、能量转换和释放系统组成。目前，主要有机械能储能、电容器储能
9、、电化学储能3种方式用于脉冲功率技术的能量储存。相对于其它储能器件，电容器储能因为具有储能密度高、能量释放速度快、可靠性高、安全性高、价格低廉以及较易实现轻量化和小型化等优点，因此成为目前高功率脉冲电源中应用最广的储能器件之一6-7。BaTiO3基陶瓷以BaTiO3陶瓷为代表的铁电体具有较高的介电常数，是制造铁电陶瓷电容器的基础材料，也是目前国内外应用最广泛的电子陶瓷材料之一。在介电层厚度确定的情况下，材料的介电常数越高，电容器的比电容越大，越易于实现器件的小型化。许多研究结果表明，掺杂可以改善BaTiO3陶瓷的介电性能从而更有利于储能电容器应用，可以掺杂的元素离子包括Nd3+，Ca2+，Sr
10、2+，La3+，Sn4+，Zr4+，Mg2+，Co3+，Nb5+，Mn4+和稀土离子的掺杂8。表2为常用的高介电稳定性BaTiO3铁电陶瓷系统材料的配方，添加物种类其测试的性能9。表2高介电稳定性BaTiO3铁电陶瓷系统的配方及其性能SrTiO3基陶瓷SrTiO3基陶瓷具有高介电常数，低介电损耗和稳定的温度、频率和电压特性，是用于制备大容量陶瓷晶界层电容器的理想材料。Yamaoka等研制出的系列陶瓷不仅具有优良的介电性能和显著的伏安非线性特性，而且具有吸收10003000A/cm2这样较高电涌的能力，所以该材料兼有大容量电容器和压敏电阻器的功能。SBBT陶瓷属于SrTiO3系，是在SrTiO3
11、-m(Bi2O3nTiO2)系(简称SBT)陶瓷的基础上加入BaTiO3等烧制而成的，具有介电常数大，介质损耗小，击穿场强高的特点10。TiO2陶瓷TiO2陶瓷具有高的耐击穿强度(350kV/cm)和较高介电常数(110)，从而具有可观的储能密度。研究表明11，纳米晶TiO2陶瓷比粗晶制备的TiO2陶瓷具有更高的耐击穿强度(最高可达2200kV/cm)。PMN基陶瓷以铌镁酸铅Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(简称PMN)为代表的铅基复合钙钛矿结构弛豫型铁电陶瓷，以其优良的介电、铁电性能，在多层陶瓷电容器(MLCC)和高压高介电常数电容器等诸多方面，正被各国学者所关注，具有十分广阔的应用前景。P
12、MN-PT12，PMN-PTBT13也都属于PMN基的电容器材料。4有机铁电薄膜材料有机铁电薄膜的制备方法包括溶胶凝胶法、旋涂法(Spin-Coating)、分子束外延技术及Langmuir-Blod-get膜技术等。与传统的无机材料相比，有机聚合物材料具有易弯曲、柔韧性好、易加工、成本低等优点而备受关注。作为一种新型的铁电体，铁电高分子聚合物的研究主要以聚偏氟乙烯(PolyVinylideneFluoride，铁电材料的特性及应用综述孙敬芝摘要：铁电材料具有良好的铁电性、压电性、热释电以及性光学等特性以及原理，铁电材料是具有驱动和传感2种功能的机敏材料,可以块材、膜材(薄膜和厚膜)和复合材料
13、等多种形式应用,在微电子机械和智能材料与结构系统中具有广阔的潜在应用市场。关键词：铁电材料；铁电性；应用前景CharacteristicsandApplicationofFerroelectricmaterialSunJingzhi(MaterialsScienceandEngineeringcollege,HebeiUnitedUniversityTangshan,China)Abstract:Ferroelectricmaterialhasgoodironelectrical,piezoelectric,pyroelectricandnonlinearopticalproperties,s
14、uchasadriverandsensingtwofunctionpiezoelectricmaterials,canblockmaterial,membranematerials(filmandthickfilm)andthecompoundMaterialofavarietyofformssuchasapplication,inmicroelectromechanicalandintelligentmaterialsandstructuresinthesystemwithvastpotentialapplicationmarket.Keywords:ferroelectricmaterialsIronelectricaldevelopmenttrend0前言晶体按几何外形的有限对称图象,可以分为32种点群,其中有10种点群:1,2,m,mm2,4,4mm,3,3m,6,6mm,它们都有自发极化。从对称性分析它们的晶体结构都具有所谓的极轴,即利用对称操作不能实现与晶
