铁电薄膜铁电性能的表征实验报告_南京大学

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。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OD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OE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曲线CBDFGHC所示此曲线称为电滞回线。电场EoABCEDFHG极化P图1铁电体的电滞回线示波器CxCyV图2电滞回线的显示电滞回线可以用图2的装置显示出来（这就是著名的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(即普通电容)，Cy上的电压Vy加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，因而示波器显示的图象，纵坐标反映P的变化，而横坐标Vx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Vy和P的正比关系，因yxxyxyCCCCVV11式中为图中电源V的角频率dSCx0为铁电体的介电常数,0为真空的介电常数,S为平板电容xC的面积，d为平行平板间距离，代入（1）式得：ECSdVCSVCCVyxyxYxy00(2)根据电磁学EEEP000)1((3)对于铁电体1，固有后一近似等式，代入（2）式，PCSVyy因S与yC都是常数，故Vy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。如果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，其它则称为转变温度。（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，而是依赖于外加电场的，一般以OA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，铁电体在转变温度附近时，介电常数具有很大的数值，数量级达5410~10。当温度高于居里点时，介电常数随温度变化的关系CTTC0（5）2、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、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。铁电记忆存储器（FerroelectricMemory）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（-Pr）。正是利用这无外场时所有的两个稳定极化Pr作为计算机编码0（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，随大存储量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kI，铁电疲劳性能（永久极化与开关次数n~Pr）及铁电保持性能（永久极化与时间关系t~Pr）。通常要求永久极化Pr/10C2cm，低矫玩场cmkVEc/100。好的疲劳特性，在铁电翻转1010次时，永久极化很少变化。在510秒内可较好的保持电荷，漏电流小于27/10cmA。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专用高速采集控制卡13铁电性能综合测TD-88A型1试仪4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主要包括可编程信号源、微电流放大器、积分器、放大倍数可编程放大器、模/数转换器、数/模转换器、微机接口部分、微机和应用软件等部分组成。系统框图见图12-2-3，硬件系统由一台计算机、一片带A/D、D/A及开关量控制输出功能的计算机接口卡和信号调理电路部分组成。（2）测量电路目前，测量电滞回线的方法较多。其中测试方法简单、应用最广泛的是Sawyer-Tower电路[2][3]，如图12-2-4所示，其中虚框部分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。在理想情况下，若只考虑Cxs的作用（认为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]。但一般情况下，铁电薄膜样品具有图3铁电性能测量仪结构框图漏电导和线性感应电容，如果要获得铁电薄膜样品的本征电滞回线，必须在测量过程中对样品的漏电导和线性感应电容进行合适的补偿，但这在实际测量中是较难处理的。另外，此电路中外接积分电容Co的选取和精度会影响测试的精确度，当然给铁电薄膜样品提供的信号源U的频率对测试，结果也有很大的影响，这样就较难对测试结果进行标定和校准。用户应用软件界面数据分析及处理接口I/O口D/A程控放大器电压放大驱动电路微电流放大器及积分器铁电薄膜样品A/D计算机部分A/D,D/A卡图4Sawyer-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）我们选用如图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得到Uy进入测量系统。即使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Co，可减小寄生元件的影响。此电路的测试精度仅取决于积分器积分电容C1的精度，减少了对测试的影响环节，比较容易定标和校准，并且能实现较高的测量准确度。4、实验注意事项（1）必须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。三、实验数据测量及分析1、运行应用软件，进入软件主界面，打开主菜单的测量部分选择“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“OK”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“是否进行漏电流测量”，按“Yes”则进行漏电流及电阻阻值测量,按“No”即完成测量。图像调节软件中的最大电压分别在1200V到1550V之间，每间隔25V取一个值，将15条回线画在同一张图上有：UC0UxUyCxiRxCxsUUxCxiRxCxsUy电流放大器积分器RfC1我们大致可以猜想剩余极化Pr和矫顽场Ec随所加电压有一定的正相关关系。下面利用软件，从图像中读出Pr+，Pr-，Ec+，Ec-，以及饱和极化强度Ps。饱和极化强度Ps的确定，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。分别读出图上的这五个数值(表中Pr-和Ec-均为绝对值)。Vmax12001225125012751300132513501375Ps84.1584.2785.0784.6485.5585.6585.8785.59Pr+68.9568.3567.9468.2968.3368.3669.6369.27Pr-67.7467.5368.7668.2168.7568.968.9968.43Pr68.34567.9468.3568.2568.5468.6369.3168.85Ec+197191.3195.3198.7199.8192.6202.8205.1Ec-109.7116.1109.7113.9111.6109.1121.5117.3Ec153.35153.7152.5156.3155.7150.85162.15161.2Vmax1400142514501475150015251550Ps86.4186.4587.0687.0687.3287.2688.12Pr+69.369.2968.2969.6569.9769.5169.34Pr-68.8769.468.2169.269.4569.970.1Pr69.08569.34568.2569.42569.7169.70569.72Ec+199.2202.9198.7203.1198.7203.1203.4Ec-117.4115.3113.9115.7118.8115.5114.9Ec158.3159.1156.3159.4158.75159.3159.15其中，Pr=（Pr++Pr-）/2和Ec=(Ec++Ec-)/2Ps，Pr，Ec随Vmax的变化关系如下图分析：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影响有序排列的程度就越高，这样，极化强度就随之增大。同样，使样品退磁化的矫顽场也随之增大。Pr+与Pr-并不相同，同时Ec+与Ec-也不相同。这是因为样品并不完全对称的，经过电压变化的一个周期，样品由于内部响应的问题和本身性质的问题，不可能出现完全对称的标准电滞回线。极化强度的变化并没有矫顽场的变化明显，所以在研究物质的电、磁性质的时候，应该选择Ec作为参考量。实验发现Ec