鐵電薄膜鐵電性能的表征二及相關(guān)使用設(shè)備

一、 實驗?zāi)康?/span>

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(jī)讀取存儲器的工作原理及性能表征。

3、推薦使用設(shè)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(qiáng)時，極化與電場之間呈非線性關(guān)系。在電場作用下新疇成核長，疇壁移動，導(dǎo)致極化轉(zhuǎn)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(dāng)電場達(dá)到相應(yīng)于點值時，晶體成為單疇，極化趨于飽和。電場進(jìn)一步增強(qiáng)時，由于感應(yīng)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(dāng)電場達(dá)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，直到電場等于某一值時，極化又將趨于飽和。這一過程如曲線所示，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(fù)飽和度之間循環(huán)一周時，極化與電場的關(guān)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（這就是著名的 Sawyer-Tower電路），以電晶體作介質(zhì)的電容上的電壓是加在示波器的水平電極板上，與串聯(lián)一個恒定電容（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(qiáng)度 P 成正比，因而示波器顯示的圖象，縱坐標(biāo)反映的變化，而橫坐標(biāo)與加在鐵電體上外電場強(qiáng)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(guān)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(xué)

對于鐵電體，，故有后一近似等式，代入上式 ，

因與 都是常數(shù)，故與成正比。

（2）居里點當(dāng)溫度高于某一臨界溫度時，晶體的鐵電性消失。這一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(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，所以是個相變過程，已發(fā)現(xiàn)鐵電體存在兩種相變：一級相變伴隨著潛熱的產(chǎn)生，二級相變呈現(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)系在一起，所以鐵電相的晶格結(jié)構(gòu)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，高的一個相變溫度稱為居里點，其它則稱為轉(zhuǎn)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，一般以 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(zhuǎn)變溫度附近時，介電常數(shù)具有很大的數(shù)值，數(shù)量級達(dá)。當(dāng)溫度高于居里點時，介電常數(shù)隨溫度變化的關(guān)系為

2、鐵電體和鐵電存儲的應(yīng)用

鐵電體具有介電、壓電、熱釋電、鐵電性質(zhì)以及與之相關(guān)的電致伸縮性質(zhì)、非線性光學(xué)

性質(zhì)、電光性質(zhì)、聲光性質(zhì)、光折變性質(zhì)、鐵電記憶存儲性能等等，都與其電極化性質(zhì)相關(guān)，特別是電介質(zhì)的熱釋電與鐵電性質(zhì)都與其自發(fā)極化相關(guān)。由于鐵電體具有上述性質(zhì)，因而在諸多高技術(shù)中有著很重要的應(yīng)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(zhì)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(xué)效應(yīng)可制作激光倍頻、三倍頻、和頻、差頻器；利用電光性質(zhì)可制作激光電光開關(guān)、光偏轉(zhuǎn)器、光調(diào)制器等；利用聲光效應(yīng)可制作激光聲光開關(guān)、聲光偏轉(zhuǎn)器、聲光調(diào)制器等；利用光折變效應(yīng)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(yīng)用

鐵電記憶存儲器是利用鐵電體所具有的電滯回線性質(zhì)。如圖1所示，當(dāng)加到鐵電體上電場為零時，鐵電體上仍保持有一定的極化強(qiáng)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(dāng)外場變?yōu)榱銏鰰r，鐵電體上為正的剩余極化（）而若是從負(fù)場變到零場，則此時剩余極化為負(fù)（）。正是利用這無外場時所有的兩個穩(wěn)定極化作為計算機(jī)編碼0（）和1（），這就是鐵電記憶及邏輯電路的基礎(chǔ)。

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(yīng)用。在非揮發(fā)性鐵電存儲器應(yīng)用中，即使電源突然中斷，其儲存的信息也可保持。鐵電體不僅作為一個電容，而且其本身也作為一個存儲單元。鐵電存儲器由于其尺寸?。ㄊ峭ǔ？刹脸S機(jī)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(jī)存儲器已有商品銷售，由其為核心的智能卡及作為嵌入式芯片已用于眾多家電的控制器如洗衣機(jī)、游戲機(jī)、電視頻道存儲記憶器、復(fù)印機(jī)、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(jī)、隨身聽中使用，市場前景看好。

1952年，貝爾實驗室的J. R. Anderson首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(xué)雙穩(wěn)態(tài)特性，用可反轉(zhuǎn)的“上”、“下”兩個方向的極化狀態(tài)，來實現(xiàn)計算機(jī)存儲器操作。但由于當(dāng)時薄膜制備技術(shù)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(shè)想在當(dāng)時未能實現(xiàn)，直到90年代初隨薄膜制備技術(shù)的發(fā)展才逐漸發(fā)展。目前已設(shè)計出的存儲器有三種，即非易失性鐵電隨機(jī)讀取存儲器（FeRAM），鐵電場效應(yīng)管（FeFET）和鐵電動態(tài)隨機(jī)存儲器（DRAM）。FeRAM的工作原理為：當(dāng)鐵電存儲單元中的鐵電薄膜處于（或）狀態(tài)，相應(yīng)的鐵電存儲單元的信息為1（或0），當(dāng)一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(zhuǎn)，此時通過電容器的位移電流為反轉(zhuǎn)電流。當(dāng)脈沖方向與存儲單元的極化相同時，無極化反轉(zhuǎn)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（即一個場效應(yīng)管和一個電容）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(guān)次數(shù)- n）及鐵電保持性能（極化與時間關(guān)系- t ）。通常要求極化，矯玩場。好的疲勞特性，在鐵電翻轉(zhuǎn)次時，極化很少變化。在10⁵秒內(nèi)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，一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。另一類屬于化學(xué)氣相沉積法（），常見的有金屬有機(jī)源氣相沉積（）和原子層化學(xué)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(yīng)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(jìn)行反應(yīng)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(guān)。

（2）脈沖激光沉積法：方法是20世紀(jì)80年代迅猛發(fā)展起來的制備薄膜技術(shù)。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。此方法的大優(yōu)點是沉積的薄膜與靶材的成分很接近，因而可以通過調(diào)控靶材的成分來嚴(yán)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(zhì)結(jié)構(gòu)。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(guān)鍵詞:電滯回線 ,鐵電測試儀，電壓，頻率 ，電致應(yīng)變

一、產(chǎn)品介紹：

  FE-5000型寬量程鐵電性能測試儀是一款高量程款的鐵電性能材料測試裝置，這款設(shè)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(yīng)變參數(shù)。

二、主要技術(shù)指標(biāo)：

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(diào),精度: ≤1%。

4.電流范圍: 1nA～10A ,精度: ≤1%。

5. 匹配高溫電致應(yīng)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(jìn)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(jī)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(guān)主流軟件。