铁电软膜理论
铁电薄膜的制备课件
铁电薄膜的特性
铁电薄膜具有较高的自发极化强度和 矫顽场强，这使得它们在电容器、存 储器、传感器和驱动器等领域具有广 泛的应用前景。
铁电薄膜还具有良好的热稳定性、化 学稳定性和机械稳定性，能够在恶劣 环境下正常工作。
铁电薄膜的应用
铁电薄膜在信息存储领域具有 广泛的应用，如铁电随机存储 器（FRAM）和铁电存储单元 （FERAM）。
例如，在氧气存在下，某些氧化物材 料可能更容易形成稳定的氧化物薄膜 ；而在氢气存在下，某些金属材料可 能更容易形成氢化物薄膜。
不同气氛下，原子或分子的活动能力 和反应速度不同，因此选择适宜的气 氛对于控制薄膜的生长和组分具有重 要意义。
因此，根据所需的铁电薄膜材料和性 能要求，选择合适的气氛是制备高质 量铁电薄膜的关键。
详细描述
铁电薄膜的电学性能包括电阻、电容、介电常数等参数。这些参数可以通过电学测量技术进行测量，如四探针测 量法、电容-电压测量法等。通过对这些参数的测量和分析，可以了解铁电薄膜的导电性能、介电性能等电学特 性，进而评估其应用潜力。
结构性能表征
总结词
结构性能是铁电薄膜质量的关键因素， 可以通过X射线衍射、电子显微镜等方法 进行表征。
脉冲激光沉积法制备铁电薄膜的步骤包括：将靶材放置在激 光器下，通过激光照射将靶材气化，然后在基底上沉积成膜 。在制备过程中，需要控制激光能量、沉积速率等参数，以 保证薄膜的质量和性能。
金属有机物化学气相沉积法
金属有机物化学气相沉积法是一种利用金属有机物作为前 驱体，通过化学反应在基底上沉积成膜的方法。该方法可 以制备高质量的铁电薄膜，但设备成本较高，且需要严格 控制反应条件。
深入研究铁电机制
深入了解铁电材料的物理机制，为提 高性能和稳定性提供理论支持。
铁电薄膜的制备、表征及应用
铁电薄膜的制备、表征及应用一、实验目的铁电薄膜的溶胶凝胶制备法作为一门综合性课程，实验过程中，利用化学、物理知识，通过对铁电薄膜制备方法的设计，了解制备方法的原理；以及通过铁电薄膜的表征，了解铁电薄膜的测试与分析，使学生在铁电薄膜制备与表征的基本技能方面得到训练，进一步了解铁电薄膜的制备方法原理和工艺，表征技术的原理和测试分析方法，巩固和深化学生课堂上学到的知识。
本课程实验部分的主要任务是使学生获得有关铁电薄膜备及表征技术有关实验原理的知识和技能，掌握铁电薄膜的制备参数与材料组分、性能之间的关系和规律，加强学生合理选用制备方法、正确选定制备工艺参数、分析测试结果等方面的能力。
二、实验原理及方法2.1 实验原理溶胶-凝胶法(Sol-gel)作为CSD 法的一种，属于化学溶液沉积法。
Sol-gel 的前驱体是金属有机化合物，有的时候也用无机盐作为前驱体，将前驱体按照一定的比例在有机的溶液中溶解，经过水解缩聚反应，最后生成三维网络状胶体。
按照匀胶、蒸发分解（除去凝胶中的有机成分和水分）、退火处理的步骤，最后得到晶态薄膜。
一般情况，Sol-gel 法的常用到的原料有金属化合物、溶剂（甲醇、乙醇、冰醋酸等）、水、催化剂（酸或弱碱）以及其他添加剂。
其中金属元素的起始原料一般都是易于水解的金属化合物，比如氯化物、硝酸盐、金属醇盐、乙酰丙酮和醋酸盐等等，这些化合物水解生成了氧化物、氢氧化物或者是聚合物，这些物质很容易发生反应，水解过程中的只有醇类物质容易挥发，但是对人体无害，因此这类物质已被广泛的用于Sol-gel 法中，成为Sol-gel 法首选的原料。
在Sol-gel 法中，不论是无机盐还是金属醇盐作为起始原料，它们的反应步骤都是：前驱物溶于水中，或者是溶于有机溶剂中，最后形成均匀溶液。
溶质与溶剂发生水解或是醇解反应，反应生成物聚集成1 nm 左右的粒子，并且形成溶胶，最后经蒸发干燥转变成凝胶。
基本反应原理如下：(1) 溶剂化：金属阳离子M z +(z 为M 离子的价数)吸收水分子，并形成溶剂单元()2M H O ，在这过程中释放H +，用来保持它的配位数：()()()()1221M H O M H O OH H +-++-→+z z n n (1)如果在上述反应中，有别的离子进入，就有可能发生聚合反应，这个反应十分复杂。
铁电材料及其应用
铁电薄膜的应用
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声表面滤波器(Surface Acoustic Wave Filter)
SAW换能器
热释电探测器
存储器
声表面滤波器(Surface Acoustic Wave Filter)
压电基片
吸声材料
声表面滤波器的一般结构示意图
SAW换能器
声表面波吸收器
叉指电极结构
压电基片
• 晶体在发生顺电-铁电相变或其它极化状态发生变化
的结构相变时，晶体的一系列物理性质发生反常变
化。例如晶体的介电性质、弹性、压电性、光学性
质、热学性质等大都出现明显的变化。晶体在相变
点附近发生的各种性能反常变化通称为临界现象。
顺电相的介电常数遵循居里－外斯定律
C
T Tc
C：居里－外斯常数；Tc：居里－外斯温度
在晶体中，如果晶胞中正负电荷中心不重合，
即每一个晶胞具有一定的固有偶极矩，由于
晶体结构的周期性和重复性，晶胞的固有偶
极矩便会沿同一方向排列整齐，使晶体处于
高度极化状态。这种在无外电场作用下存在
的极化现象称为自发极化
铁电材料
压电材料
铁电材料的发展历史和现状
➢罗息盐时期—发现铁电性
➢KDP时期—热力学理论
是说，示波器垂直幅度与电位移D（或极化
强度P）成正比。
水平致偏电极则接到电位器W的滑动接点上，
由于C>>Cx，故U>>U1，因此水平致偏电极之
间的水平幅度电压Ux正比于试样两端的电压
U1，而试样两端的电场强度E=U1/d，因此在
示波器上可以观察到P-E（或D-E）曲线，即
向电子材料与元件前沿迈进——记华中科技大学电子科学与技术系副主任吕文中教授
■一股不平百。
科仅孺矢向电子材料与元件前沿迈进——记华中科技大学电子科学与技术系副主任吕文中教授陶瓷、电阻．天线．元件……正是这些看似微不足道的材料和元器件奠定了电子产业的基础，为电子产品提供了高性能化的动力。
近十年来．吕文中教授课题组在电子陶瓷材料领域进行了深入研究，在ＧＰＳ用宽频带．耐高温．复杂形状微波介质陶瓷天线方面做出了许多创新工作．采用新型铁电移相器降低了相控阵雷达的成本，发明了电滞回线测试仪，完成了后膛弹处废生产线的自动化，在元器件及电子技术领域取得了丰硕的成果。
一“寸”丹心：寻求不断的突破电子陶瓷是电子材料领域十分活跃的一个分支．有很多新型元器件广泛应用于通信、控制．武器装备等行业。
十余年来．吕文中教授瞄准国防需求，满腔热情地为国防事业服务，在电子陶瓷元件领域孜孜以求．不断寻求新的突破。
例如．复杂形状的电子陶瓷天线的制备一直是该研究领域的一个难题．尽管可以通过各种成型技术控制陶瓷生坯的形状，但是经过高温烧结后，由于材料收缩的不一致性，很难保证复杂形状天线最终的精密尺寸要求。
吕文中带领下的科研团队另辟蹊径，通过研究材料的机械性能而成功地避开了复杂的精密成型技术，保证了天线尺寸的精密控制，所研制的天线已批量使用在国内某重点型号导弹上，为国防事业做出了较大贡献。
在相控阵雷达天线移相器用ＢＳＴ铁电材料领域．他们更是充分运用了自己独到的技术方法：利用稀土元素添加剂．有效地解决了材料损耗与介电常数协调率之间的矛盾。
其所得到的综合性能较好的铁电材料已提供给国内某军工单位使用。
该军工单位利用他们提供的铁电材料制备出的相控阵雷达天线阵单元的损耗量接近国外先进水平。
此外，吕文中教授课题组在ＳＭＣ（表面贴装元件）．ＬＴＣＣ（低温共烧陶瓷）方面也做了大量工作，比如他们开发的叠层文／陈晨ＺｎＯ压敏电阻不但性能指标达到国际同类先进水平，其烧结温度更是降ｔＥ至Ｕ８５０。
Ｃ，有望带动国内电子陶瓷元件产业跨入国际先进行列。
材料物理09 铁电薄膜
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7 铁电薄膜的发展展望
(6)铁电薄膜微观特性的表征，及其与宏观特性的对 应关系尚不清楚。 随着纳米科学技术的发展，制备纳米级铁电薄膜 已引起人们的重视，但是，如何表征纳米铁电薄膜 的特征，尚不十分清楚，需要发展新型的分析表征 手段和相关仪器，才有可能得到解决。这类纳米尺 度的特性与测出的宏观性能(特别是电学性能)的关系， 更有待深入的理论研究和实验验证。
Shaanxi University of Science & Technology
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7 铁电薄膜发展展望
(4)铁电疲劳与老化限制了铁电薄膜的广泛应用。 尽管人们已找出疲劳效应小的铁电薄膜材料，如 SBT，但铁电疲劳和老化仍限制着铁电薄膜器件的 广泛应用。此外，对铁电体的开关特性而言，没有 精确的电压阀值，而且开关特性及与之相关的开关 电压和剩余极化还与铁电薄膜的疲劳和老化特性密 切相关，这更促使人们急切解决铁电薄膜的疲劳和 老化问题。
School of Materials Science & Engineering, 2011
铁电薄膜
Ferroelectric Thin Film
陕西科技大学材料科学与工程学院 授课教师：蒲永平
pu@physik.uni-halle.de
1 铁电薄膜的定义
具有铁电性、且厚度在数十纳米至数微米的薄膜材料
Shaanxi University of Science & Technology
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One case
MFIS(Metal/Ferroelectric /Insulator/Semiconductor) 制备一个MFIS结构的无铅铁电薄膜场效应晶体管 的原型器件，并对它的电学性能进行表征。
铁电材料PPT幻灯片课件
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压电陶瓷
声马达是压电陶瓷应用中一个 引人注目的新领域,它是利用压 电陶瓷的逆压电效应,直接把电 能转换成机械能输出而无需电 磁线圈的新型电机，与普通电 磁马达相比，它具有结构简单 、启动快、体积小、功耗低等 特点。另外，由于它是从电能 直接转换为机械能而不通过磁 电转换，因此，不产生磁干扰 也不怕磁干扰。
，擦写次数低,写数据功耗大等缺点。
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FeRAM器件结构
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铁电存储器（MFSFET）
MFS(Metal Ferroelectric –Semiconductor )FET
在MOS中用铁电薄膜（F） 代替二氧化硅栅氧化物薄 膜（O）构成MFSFET场 效应管
由于极化滞后，漏电流展 现两种状态：开，关
Kbit和1Mbit等密度。
非易失性记忆体掉电后数据不丢失。可
是所有的非易失性记忆体均源自ROM技术。
你能想象到,只读记忆体的数据是不可能修改
的。所有以它为基础发展起来的非易失性记
忆体都很难写入，而且写入速度慢，它们包
括EPROM（现在基本已经淘汰）,EEPROM
和Flash，它们存在写入数据时需要的时间长
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ABO3型钙钛矿晶胞结构
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铁电材料的分类
（1）结晶化学分类
含有氢键的晶体：磷酸二氢钾（KDP）、三甘氨酸硫酸盐（TGS）、罗息盐
（RS）等。这类晶体通常是从水溶液中生长出来的，故常被称为水溶性铁电体，
又叫软铁电体；
（Li2双O氧-N化b2物O晶5）体等：，如这B类aT晶iO体3（是B从aO高-T温iO熔2）体、或K熔N盐bO中3（生K长2出O-来N的b2，O5又）称、为L硬iNb铁O电3 体．它们可以归结为ABO3型，Ba2+，K+、Na+离子处于A位置，而Ti4+、Nb6+、 Ta6+离子则处于B位置。
固态相变铁电材料的相变机理
态相变铁电材料的相变机理1.1固态相变分类相变是指，外界条件（温度或压强）做连续变化时，物质聚集状态的突变。
关于相变可以提出三个方面的问题：（1）相变发生的临界条件和方向一一相变热力学（宏观上揭示相变过程的起始和终结）；（2）相变进行的方式一一相变动力学（微观分子运动，决定了相变过程的快慢，引入时间尺度）；（3）相变产物的结构特征一一相变结构学1.1.1热力学角度分类从热力学角度考虑，可以把单元系的相变可分为一级相变、二级相变以及更高级的相变。
一级相变存在比容和比嫡，这些热力学的状态量的间断，他们对应热力学势函数的一阶导数的间断。
对于某一个化学组分不变的单元系统，以及每一相存在相应的Gibbs自由能函数，其表达式可以写成：T） = U i- TS\ + PV t/ = 1,2一级相变，是指当由1变成2相时，有G1二G2,但当自由能的一阶偏导数不相等，在相变温度Tc时：因此，一级相变时，具有体积和嫡（及焙）的突变，即焙的突变一定程度上表示了存在相变潜热的吸收或释放。
一级相变过程中，可以出现两相共存（过冷、过热亚稳态），其中母相为亚稳相，且一级相变是相变滞后的。
二级相变，是由1相转变为2相时，有G1二G2,而且自由能的一阶偏导数相等，但自山能的二阶偏导数不相等。
物理上的“二级相变（乂称连续相变）”, “一级相变（又称不连续相变）”1.1.2相变动力学角度分类相变划分为匀相转变，和非匀相转变。
匀相转变在相变过程中，没有明确的相界（即没有新相的成核长大过程），相变是在整体中均匀的进行。
匀相转变的特点是，母相对非局域的无限小涨落表现出失稳，无需形核（无核相变）；匀相相变既包括二级相变以及包括一级相变。
非匀相转变，则是通过新相的成核生长过程来实现的，相变过程中母相和新相共存，所以为非均相过程。
非匀相转变始于程度大并且范围小的相起伏，即经典的形核-长大型相变。
绝大多数的一级相变与晶格类型的变化有关，属于非匀相转变。
铁电薄膜的介电性质
铁电薄膜的介电性质董云峰;崔莲【摘要】Based on the soft mode theory under the mean field approximation,the dynamical behaviors of the temperature dependence of the real(ε ′) and imaginary(ε ″) parts of permittivity of a ferroelectric thin film with surface transition layers have been studied.The results show that with the increase of the temperature,two peaks and one peak of the ε ′ and ε ″ occur,respectively.When the enhance of the action of surface transition layer,the peaks of the real and imaginary parts of the average permittivity of a thin film are broadened,the peak values are declined and the peak positions shift to the lower temperature zone.%基于平均场近似的软模理论,研究了含有表面过渡层的铁电薄膜介电函数的实部ε＇和虚部ε″的随温度变化的动态特性。
实验结果表明,随着温度的升高ε＇和ε″分别出现两个峰和一个峰。
当表面过渡层的作用增大时,薄膜的平均介电常数实部和虚部的峰变宽,峰值降低而且峰位向低温区移动。
【期刊名称】《大庆师范学院学报》【年(卷),期】2012(032)006【总页数】4页(P81-84)【关键词】铁电薄膜;介电性质;软膜理论【作者】董云峰;崔莲【作者单位】大庆师范学院物理与电气信息工程学院,黑龙江大庆163712;大庆师范学院物理与电气信息工程学院,黑龙江大庆163712【正文语种】中文【中图分类】O484.40 引言铁电薄膜一直以来被人们广泛地研究，因为其可以应用于动态随机存取存储器、薄膜传感器、微波设备和红外探测器等[1]。
铁电薄膜的研究热点
制备技术：由于薄膜制备技术的发 展和器件集成化、微型化和
智能化的需要， 多种方法被发明用来制备出各种压电／铁电薄膜。 传统的薄膜沉积按真空腔和非真空腔技 术的使用分为两大类：
(1)真空物理沉积；
物理法包括激光脉冲沉积，射频磁控溅射，离子束溅射和分子束外延等。
(2)化学法又分为两大类：
一、化学气相沉积，包括普通气相沉积，金属有机化合物化学气相沉积 (MOCVD)，等离子体增强化学气相沉积(PECVD)等； 二、化学溶液沉积或化学溶液分解法,主要有溶胶凝胶(Sol-gel)法，金属有机物 热分解(MOD)法等。
镀工艺:
镀膜工艺流程为: 清洗衬底—安装靶材—放置衬底—抽真空—衬底加 热—充氧—沉积薄膜—退火。关键步骤如下: (1) 分子泵抽真空: 直到真空度小于10-4Pa时,才达到镀膜要求。真空 度低时会引入杂质。 (2) 对衬底加热: 在抽真空过程中, 应边抽边缓慢地增加衬底温度, 直到 衬底温度达到沉积膜时需要的温度, 同时用红外测温仪对衬底温度进 行实时监控。 (3) 开机械泵管阀充氧: 让流入的氧与被机械泵抽出去的氧达到动态平 衡。 (4) 沉积薄膜: 同时打开靶自转开关让靶自转,就可打开激光开始沉积薄 膜, 沉积时间为20min. (5) 退火: 待沉积薄膜时间到时, 关闭激光器, 设定退火温度和退火氧压, 此时就开始缓慢退火, 退火时间一般为1h. 待退火时间到时, 缓慢地降 低温度到室温, 然后关氧, 关电源, 完成镀膜过程。
镀膜中的关键因素及最佳参数
1 衬底温度是决定薄膜质量好坏的最关键因素, 给衬底加热有利于颗 粒在膜上加快迁移, 有利于结晶。若衬底温度低, 沉积原子还来不及排 列好, 又有新的原子到来,则往往不能形成单晶膜; 若温度甚低, 原子很 快冷却,难以在衬底上迁移, 这样会形成非晶薄膜。若衬底温度过高, 则热缺陷大量增加, 也难以形成单晶膜。实验得出800℃是最好的沉积 温度。 2 靶材与基底的距离，距离太远时羽辉中的离子就会复合成大颗粒; 太近时羽辉的离子能量大、速度快就会把膜和衬底打坏。实验表明距 离为4cm时, 效果较好。 3 氧压和退火温度，等离子羽辉中的氧离子会结合成氧气跑掉, 充氧 压的目的就是为了补充薄膜中缺失的氧。但氧压不宜过高, 过高的氧 压会使溅射产生的粒子经受大量的碰撞而散射, 使其失去大部分能量。 退火时温度太低不利于薄膜重新结晶且氧不能很好地补充进去; 温度 太高时, 已形成的薄膜会分解。实验得出氧压取30Pa比较理想。
铁电薄膜在电容器中的应用研究
铁电薄膜在电容器中的应用研究随着科技的不断发展，电子产品已经渗透到了人们生活的方方面面。
而电容器作为电子器件中重要的组成部分，其性能的优化和提升也受到了广泛的研究和关注。
铁电薄膜作为一种重要的电介质材料，由于其具有较强的铁电效应和优异的介电性能，已经在电容器中得到了广泛的应用。
一、铁电薄膜的特性铁电薄膜指的是一种以铁电材料为主要组成的薄膜材料。
铁电材料是指在一个适当的温度范围内存在具有铁电极化性质的晶体材料。
铁电极化性质是指在外电场作用下，材料中产生的极化矢量方向和电场方向相同，而当电场方向改变时，极化矢量也随之改变。
这种极化行为可以表现为材料表面的局部电荷分布的变化，因此铁电材料通常被用作电介质和电存储器等器件的关键功能元件。
铁电薄膜由于其可调制的介电常数、强烈的非线性性和优异的铁电性等特性，已经成为了研究和应用的热点。
作为电容器中的一种重要的电介质材料，铁电薄膜具有以下几个特点：1. 高极化铁电材料的极化值通常会受到晶体结构、外加电场、温度等因素的影响。
铁电薄膜的高极化能力为其在电容器中提供更高的介电常数和更大的电容储能密度提供可能。
2. 非线性电介质铁电薄膜在外电场下表现出较强的非线性效应，这一特点使得它可以作为电容器中的非线性电介质。
非线性电介质对于优化电压调制、频率调谐和过滤等应用具有重要的作用。
3. 较强的耐电压能力铁电薄膜在外电场作用下的极化效应有助于抵制电荷向薄膜内部的迁移，从而保证了薄膜的电压稳定性。
同时，在铁电薄膜中，晶格不能容易地发生破裂、变形和定向缺陷，因此具有较好的耐电压性能。
二、铁电薄膜在电容器中的应用1. 高温电容器铁电薄膜由于其较高的介电常数和强大的极化能力，在高温环境下能够保持较好的性能。
这使得铁电薄膜成为了高温电容器中的理想材料。
例如，铁电薄膜可以应用于航空航天领域中的高温电容器，以保证器件的长时间稳定运行。
2. 电压调制和频率调谐器因为铁电薄膜的非线性特性和可调制的介电常数，它可以被用作电压调制器或震荡器中的电介质元件，实现对输入信号的调制或频率的调谐。
分子型铁电配位聚
Chem. Mater., Vol. 15, No. 22, 2003
铁电体材料应用
• 铁电存储器 具有极快的读写速度，以及不易“挥发”的 记忆特性 • 光电装置 电光响应速度快 • 铁电体还具有高介电常数、电光效应、非 线性光学效应、光折变效应等特性，这些 宝贵的性能在微电子学和光电子学中也有 广阔的的应用前景。
Chem. Mater., 15, 2003, 4166-4168
Cu5Cl9(H2Quinine)2 (1)
Cu5Cl9(H2Quinine)2 (1) H-bonds
Chem. Mater., 15, 2003, 4166-4168
Cu3Br7(H2Quinine)2(H2O) (2)
Cu3Br7(H2Quinine)2(H2O) (2) H-bonds
Complex 4 2Pr = 0.36 - 0.56 uC/cm2
Chem. Eur. J. 2004, 10. 53-60
几种典型的铁电性物质
• 软铁电体，水溶液中生长出来的。
– – – – 罗息盐 （酒石酸钾钠，NaKC4H4O6· 4H2O） KDP （磷酸二氢钾） TGS （硫酸三甘氨酸 (NH2CH2COOH)3· H2SO4） 内胺 （(CH3)3N+CH2COO-）
• 硬铁电体，高温熔融体中生长出来。
– TiBaO3 （BaO-TiO2）陶瓷，KNbO3，LiNbO3
分子型铁电性配位聚合物
• 铁电性：固体物质的物理性质，例如热电 现象，压电现象，铁电现象，二阶非线性 光学性质（SHG）和摩擦发光等
• 所谓铁电体，就是存在自发极化，且自发 极化有两个或多个可能的取向，在电场作 用下，其取向可以改变的一种晶体。
铁电薄膜铁电性能的表征
铁电性吴超 131120120 物理学【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下，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。
晶体中，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相对位移，使电荷正负重心不重合，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，每个小区域内部电偶极子沿同一方向，但各个小区域电偶极子方向不同，这些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。
铁电材料及其在存储器领域的应用
目录摘要 (1)Abstract (1)1 前言 (1)2 压电材料 (2)3 储能用铁电介质材料 (3)3.1 BaTiO3基陶瓷 (3)3.2 SrTiO3基陶瓷 (4)3.3 TiO2陶瓷 (4)3.4 PMN 基陶瓷以铌镁酸铅 (4)4 有机铁电薄膜材料 (4)5 铁电阻变材料 (5)6 多铁性材料 (5)7 铁电材料的应用 (5)7.1 铁电存储器(MFSFET) (6)7.2 铁电存储器的应用 (8)8 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Application of ferroelectric materials and in the area ofmemoryAbstract：Ferroelectric materials, one of the current research focuses with numbers of physical advantages such as high integration, low energy consumption and fast response, has broad application prospects in many aspects．Being combined with other physical technologies,the properties of ferroelectric materials can be significantly improved．Describes the historical development of ferroelectric materials and current applications．Keywords：ferroelectric materials；Iron electrical；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1920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。
复合铁电薄膜性质的理论研究
图1 铁电薄膜结构示意图
技术应用在该公式中沿z轴y加恒定电场用E表示，铁电薄膜
在顺电相的自由能用z表示，则存在下列公式。
结合热力学理论，在处于平衡体系下铁电薄膜的自由
能为极小值，由一级变分为零，则存在下列公式。
经过体系整定之后可以利用下列公式进行表示，
在上述公式中，三维材料居里温度以及居里常数的比在该公式重整后热释电系数用表示，重整极化率可获得下列公式。
铁电薄膜平均极化强度与温度之间的关系，如下图2所示。
图2 材料与复合材料铁电薄膜平均极化强度
及温度之间的关系
根据该图可以发现，两种材料相变温度差值达到0.2Tc，在温度为0.8时呈现降低趋势，对于相变温度为0.4Tc的材料在温度为0.6时会出现显著降低的趋势，是由于材料2出现相变导致的，由于相变温度低于材料温度，当升高温度之后使其达到相变温度，这种情况下会使材料。
铁电薄膜铁电性能的表征
铁电薄膜铁电性能的表征铁电性【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下，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。
晶体中，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相对位移，使电荷正负重心不重合，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，每个小区域内部电偶极子沿同一方向，但各个小区域电偶极子方向不同，这些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。
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在布里渊区中心频率为零的长波极限的光学波，两 类原子的运动方向相反，
当降温到某个温度时 该振动冻结，原子偏离平 衡位置的振幅成为晶态位移，原子已经进入新的平 衡位置，晶体的对称性也就发生了变化，并且形成 了沿位移轴的电偶极矩 铁电相变。 自发极化的出现联系于布里渊区中心某个光学横膜 的软化。
在布里渊区中心的光学膜中，每个晶胞中对应的离 子在同一时刻具有相同的位相，如果这种膜冻结， 每个晶胞中正负离子将保持同样的相对位移，于是 整个晶体呈现均匀的自发极化。
在布里渊区中心的声学膜，两类原子的运动方向相 同，并不伴随极性的改变，所以声学膜的冻结不可 能导致自发极化。
软膜理论的意义
软膜理论揭示了铁电相变的共性，指出铁电相变只 是结构相变的一种特殊情况。光学横膜表明正负离 子相向运动，在布里渊区中心的振动膜导致的结构 相变称为铁畸变性相变，铁电相变是铁畸变性相变 的一种。 由布里渊区中心以外某处膜的软化导致的结构相变 称为反铁畸变性相变，如软膜波矢位于布里渊区边 界，可导致反铁电相变。
铁电软膜的概念
基本概念：
布里渊区中心光学横膜的软化 铁电性的产生 软膜本征矢的冻结造成了原子的静态位 移，从而使晶体中出现自发极化。
软化的概念
软化表示频率降低。简谐振子的圆频率与力系数成 正比。力系数小，意味着软，与频率降低一致。 软化到频率为零时，原子不能回复到原来的平衡位 置 冻结或凝结。 软膜理论 晶格振动问题 从晶格势能出发 原子的运动方程 振动着的离子受到短程力（相邻离子间的弹性恢复 力）和长程库仑力的作用， 对光学横膜，频率为
铁电软膜理论
theory of soft modes
软膜理论
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铁电软膜理论的发展 铁电软膜的概念
软膜理论的意义
软膜相变的应用
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铁电软膜理论的发展
铁电体的研究始于19世纪20年代罗息盐的介电性能 的发现 40年代，铁电唯象理论建立 由于铁电性的起因与晶体结构、电子结构、长程和 短程相互作用等有 60年代铁电软膜理论出现，并基本完善，即软膜阶 段 软膜理论是铁电体微观理论的突破性进展，是在晶 格动力学范围内研究的
[ ( ) ) 2 ( Ze 0] R 0 9 v 0
2 T O
2
对光学纵膜，频率为：
[( )2 ) 0](Ze R0 9 v 0
2 T O
2
振膜频率决定等式右边两部分的贡献。 对于TO膜，这两种力具有相反的符号，在温度适当 时，它们的数值接近相等，使振动频率趋近于零， 原子偏离平衡位置的位移将被冻结，即原子进入新 的平衡位置，形成了新相，晶体由一种结构变成另 一种结构。 对于LO膜，这两部分作用力是相长的，总的作用力 不会为零，所以LO膜不会产生铁电相变。
软膜相变的应用
根据软膜理论，铁电相变和反铁电相变都应该在普 遍的结构相变理论的基础上来进行研究，从而不再 局限于只能对个别的铁电体模型进行研究。 铁电相变软膜理论提出后,人们利用中子散射、 Raman散射等方法对软膜进行实验。