铁电薄膜铁电性能的表征

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1、铁电薄膜铁电性能的表征摘要：铁电体是这样一类晶体:在一定温度范闱内存在Fl发极化，H发极化具有两个或多个可能的収向，其収 向可能随电场而转向。在某一温度以上，它为顺电相，无铁电性，其介电常数服从居里-外斯(Curit-Weiss) 定律。木实验主要进行电滞回线的测虽，了解非挥发铁电随机读収存储器的工作原理及性能表征。关键词：铁电性、薄膜、电滞回线引言铁电体是这样一类晶体:在一定温度范围内存在自发极化，自发极化具有两个或多个可 能的取向,其取向可能随电场而转向。铁电体并不含“铁”，只是它与铁磁体具有磁滞回线相 类似，具有电滞回线，因而称为铁电体。在某一温度以上，它为顺电相，无铁电性，其介电 常数

2、服从居里-外斯(Curit-Weiss)定律。铁电相与顺电相之间的转变通常称为铁电相变, 该温度称为居里温度或居里点Tc。铁电体即使在没有外界电场作用卜，内部也会出现极化， 这种极化称为自发极化。自发极化的出现是与这一类材料的晶体结构有关的。晶体的对称性可以划分为32种点群。在无中心对称的21种晶体类型种除432点群外其 余20种都有压电效应，而这20种压电晶体中又有10种具热释电现象。热释电晶体是具有 自发极化的晶体，但因表面电荷的抵偿作用，其极化电矩不能显示出来，只有当温度改变, 电矩(即极化强度)发生变化，才能显示固有的极化，这可以通过测量一闭合回路中流动的 电荷来观测。热释电就是指改变

3、温度才能显示电极化的现象，铁电体又是热释电晶体中的一 小类，其特点就是自发极化强度可因电场作用而反向，因而极化强度和电场E之间形成电 滞回线是铁电体的一个主要特性。自发极化可用矢量来描述，自发极化出现在晶体中造成一个特殊的方向。晶体红，每个 晶胞中原子的构型使正负电荷重心沿这个特殊方向发生位移，使电荷正负中心不重合，形成 电偶极矩。整个晶体在该方向上呈现极性，一端为正，一端为负。在其正负端分别有一层正 和负的束缚电荷。束缚电荷产生的电场在晶体内部与极化反向(称为退极化场)，使静电 能升高，在受机械约束时，伴随着自发极化的应变还将使应变能增加，所以均匀极化的状态 是不稳定的，晶体将分成若干小区域

4、，每个小区域称为电畴或畴，畴的间界叫畴壁。畴的出 现使晶体的静电能和应变能降低，但畴壁的存在引入了畴壁能。总自由能取极小值的条件决 定了电畴的稳定性。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法。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1. 铁电体的特点(1) 电滞回线铁电体的极化随外电场的变化而变化，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，导致极化转向，在电场很弱时，极化线性地依赖于电 场 见图(12.2-1)，此时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

5、成为单畴，极化趋于饱和。电场进一步増强时，由于感应极化的增加，总极化仍然有所增大（BC）段。如果趋于饱和后电场减小，极化将循CBD段曲线 减小，以致当电场达到零时，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,则线段0E为饱和自发极化Ps。如果电场反向， 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。这一过程如曲线 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Eco电场在正负饱和度之 间循环一周时，极化与电场的关系如曲线CBDFGHC所示此曲线称为电滞回线。图12. 2-2测量电路图电滞回线可以用图12.

6、2-2的装置显示岀来（这就是著名的Sawyer-Tower电路），以电 晶体作介质的电容G上的电压V是加在示波器的水平电极板上，与G串联一个恒定电容G （即 普通电容），G上的电压必加在示波器的垂直电极板上，很容易证明必与铁电体的极化强度P成正比，因而示波器显示的图象，纵坐标反映P的变化，而横坐标必与加在铁电体上外电 场强成正比，因而就可直接观测到P-E的电滞回线。下面证明V,和P的正比关系,因:(12. 2-1)式中Q为图中电源V的角频率:为铁电体的介电常数，勺 为真空的介电常数,S为平板电容Cr的面积，d为 平行平板间距离,代入（12. 2-1）式得：(12. 2-2)(12. 2-3)6

7、FnS Vx 碍S乂 =二乂= - =5-Ey CY Cy d cy根据电磁学：P二勺（_1）Eq勺巫二勺衣对于铁电体1,固有后一近似等式，代入（12.2-2）式,V = P因S与Cy都是常数，故W与P成正比。（2）居里点Tc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 于铁电体的消失或出现总是伴随着晶格结构的转变，所以是个相变过程，已发现铁电体存在 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 相中自发极化总是和电致形变联系在一起，所以铁电相的晶格结构的对称性要比非铁电相为 低。如呆晶体具有两个或多个铁电相时，最高的一个相

8、变温度称为居里点，其它则称为转变 温度。8 =F（12. 2-5 ）T-lC2. 铁电体的应用铁电体具有介电、压电、热释电、铁电性质以及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、铁电记忆存储性能等等，都与其电极化性质相关， 特别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，因而在 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、差频器；利用电光性质可制作激光电光开关

9、、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记忆存储器。3. 铁电储存应用铁电记忆存储器（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，铁电体上仍保持有一定的极化强度Pr （或-Pr）, 这个极化电荷的符号取决于该电体上原加场的符号。若原来加的正场，则当外场变为零场时， 铁电体上为正的剩余极化（+Pr）而若是从负场变到零场，则此时剩余极化为负CPr）。正 是利用这无外场时所有的两个稳定极化土Pr作为计算机编码0

10、（Pr ）和1 （Pr）,这就是铁 电记忆及逻辑电路的基础。铁电记忆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，即使电源突然中断，其储存的信息 也可保持。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（特别适用于军用和航天使用），存 储读取速度高，容易与硅工艺相容，因而有很好的前景。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控制器如洗衣机、游戏机、电视频 道存储记忆器、复印机、收费站刷卡等等方面，随

11、大存储屋的产品出现将在数码相机、随身 听中使用，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，而对于用于铁电存储器的铁电薄膜来讲，除此之外还有漏 电流Ik，铁电疲劳性能（永久极化与开关次数及铁电保持性能（永久极化与时间关系 通常要求永久极化R10“C/cm2,低矫玩场Ec IQQkV/an.好的疲劳特性，在 铁电翻转10丄次时，永久极化很少变化。在IO：秒内可较好的保持电荷，漏电流小于 10-7A/an2o4. 铁电薄膜的制备方法目前制备铁电薄膜的方法主要有：Sol-Gel凝胶法、M0CVD法、PLD法和溅射法。在这

12、些 制备方法中，每一种都有自身的特点。（1）Sol-Gel凝胶法:Sol-Gel凝胶法是将金属的醇盐或其他有机盐溶解于同一溶剂中，经过 水解、聚合反应形成溶胶。通过甩胶在基片上形成薄脸，经过干燥和退火处理，形成铁电薄 膜。此方法能够精确控制膜的化学计量比和掺杂，易于制备犬面积的薄膜，适于犬批量生产， 设备简单，成本低，可与微电子工艺技术相兼容。但这种方法易有不足之处，如膜的致密性 较差，干燥处理过程中薄膜一出现龟裂现彖,薄膜结构和生长速率对基片和电极材料很敏感。 迄今为止,利用该方法己制备出PT、PZT、PLZT、BT、ST、BST等多种铁电薄膜。（2）MOCVD法:MOCVD法是将反应气体和

13、气化的金属有机物前体溶液通过反应室，经过热分解 沉积在加热的衬底上形成薄膜。此法的主要优点是薄膜生长速率快，可制备大面积薄脸，能 精确控制薄脸的化学组分和厚度。但这种方法受制于金属有机源（M0）的合成技术，难以找 到合适的金属有机源，仅能用于少数几中薄脸的制备。采用此方法已制备出PT、PZT、PLZT、 BT及LN等铁电薄膜。（3）PLD法:PLD法是20世纪80年代发展起来的一种新型薄膜沉积技术。它利用高功率的准分 子脉冲激光照射到一定组分比的靶材上，使靶表面的数十米厚的物质转变为羽辉状等离子体, 沉积到衬底上形成薄膜。这种方法的主要优点是：能源无污染：薄脸成分与靶材完全一致， 因而可严格控

14、制：衬底温度较低，可获得外延单晶脸：成膜速率快。但这种方法难以制备人 面积均匀性好的薄膜。目前利用PLD方法已制备了PT、PZT、BT0、及KTN等铁电薄膜。（4）溅射法:溅射法包括直流溅射、射频磁控溅射和离子束溅射。溅射法的主要优点是工艺 比较成熟，沉积温度较低，町获得外延膜。但这种沉积脸速率较慢，组分和结构的均匀性比 较难于控制。三、实验内容1. 通过铁电薄脸的电滞回线测量得到薄膜的永久极化Pr、矫顽场Ec,漏电流Ik,这是铁电 薄膜的铁电性能的表征。2. 研究铁电存储有关的性能，测量用于存储记忆的铁电薄膜的开关疲劳性能及保持性能。四、实验过程1. 运行应用软件，进入软件主界面，打开主菜单

15、的测量部分选择“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。2. 按“确定”键后，软件弹出对话框“请输入需保存的实验数据的文件名”，用户输入以 *. 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卜侧提示条的信息），以上两项参 数测量完成后系统弹出信息框“是否进行漏电流测量”，按“Yes”则进行漏电流及电阻阻值 测量，按“N。”即完成测量。实验注意事项（1）必须先连接好测试线路并确认无误（注意T万不要将信号源短路）后再打开测试仪电 源。（2）当使用高电压信号源时，注意安全，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。五、实验结果当也 = 700V时，其电滞回线及电滞回线BC （见图12.2-1）段拟合线如下图：可得 Ps=55. 269 （uc/cm2） o当x = 750V时，其电滞回线及电滞回线BC （见图12.2-1）段拟合线如下图:WO600?00TSO可得 Ps二56.712 （uc/cm2） o当也 = 800V时，其电滞回线及电滞回线BC （见图12.2-1）段拟合线如下图:可得 Ps二56.904 (uc/cm2) o当也 = 850V时，其电滞回线