铁电物理简介_

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极化翻转（新电畴成核，生长）
• 极化开关：极化方向相
反的铁电畴成核、成长、 合并过程 • 新畴首先在铁电/电极界 面成核，再向前生长 （速度103 m/s) t=d/v=106m/103m/s=1 ns 再向側面生长并合并长大 直至全部反转 （t=E-3/2=20ns to 1μ)
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1. 铁电疲劳（Fatigue)
关循环数N而逐渐减 少为疲劳 Pr--N • 铁电疲劳与存储器 使用寿命直接有关， 一般存储器要求 在 109—1012次开关后， Pr下降 < 10% • 产生极化疲劳的原 因 • Appl.Phys.Lett.73 ,788(1998);J.App 2012-9-29
• 剩余极化Pr随极化开
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铁电疲劳的可能起因
• Tagantsev et al J.A.P 90,1387,(2001) • 畴壁钉扎机制 • 反相畴仔晶成核抑制 • 电子空穴从电极注入，产生passive表面层 • 氧空位重新分布，造成电极界面电荷集聚，
显示”local imprint” • 电极面积减少引起可开关极化的减少
• •
极界面不同。 制备过程中，反应离子束刻蚀，薄膜受伤。 极化过的薄膜在居里点以下加热，施加直流电场 或单向脉冲。 在直流偏置场下用紫外光照射，都会形成印记。 离子运动导致缺陷对排列
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4.极化开关（Switching)
• 在外场作用下，铁电体从一个状态转变为
另一个状态的极化反转过程为开关。这是 铁电体作为存储器的基础。 • 转变的快慢将对存储器的读写速度有很大 影响。 • 极化开关研究也是研究电畴的成核，成长
钙钛矿(ABO3) 型铁电体是为数最多的一类铁电体
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钙钛矿结构的一个结构单元
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Pierre Curie was born in Paris, on May 15, 1859.
Pierre was killed in a street accident in Paris on April 19, 1906
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Born in Warsaw on November 7, 1867
Marie died of leukaemia in July, 1934
A Nobel Prize Pioneer at the Panthéon
The ashes of Marie Curie and her husband Pierre have now been laid to rest under the famous dome of the Panthéon, in Paris, alongside the author Victor Hugo, the politician Jean Jaurès and the Resistance fighter Jean Moulin. Through her discovery of radium, Marie Curie paved the way for nuclear physics and cancer therapy. Born of Polish parents, she was a woman of science and courage, compassionate yet stubbornly determined. Her research work was to cost her her life.
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第五个阶段：96年开始铁电薄膜和铁电薄膜器件 20
与存储记忆有关的物理问题 —集成铁电物理学
Fatigue(疲劳）, Retention（保持）, Imprint （印记）, Domain Structure（电畴结构）, Switching Process（开关过程）, Stress Effect（应力效应）, Size Effect（尺寸效 应）, Irradiation Effect（辐照效应）, Forming Gas（形成气氛）, High Dielectric Materials（高介电材料）, Electrode Effect （电极效应） (Heterojunction), Leakage Current（漏电流）, Breakdown（击 穿）
铁电材料朗道理论简介
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1.History of Ferroelectrics
(Ferromagnetics)
1665年前后 法国La Rochelled地方人 Pierre de la Seignette最早试制成功罗息盐（RS） （酒石酸甲钠,NaKC4H4O6· 2O） 4H
铁电体
电滞现象与电滞回线（以钛酸钡为例）
P
t 120 C
o
P
t 120 C
o
Ps
B
A
Pr
o
E
C
o
Pr
E
D
Ps
温度较高时，电极 化强度与电场强度 成正比。
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温度较低时，电极化强度与 电场强度不成正比，而是滞 后于电场强度的变化，形成 电滞回线。
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重要特征：铁电体的电滞回线 (hysteresis loop )
OD: Pr remanent polarization OE: Ps spontaneous polarization
P
OF: Ec coercive field
E: electric field
P: polarization amplitude
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• 。存在自发极化P，且自发极化有两个或多
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2. 研究内容：bulk materials
自发极化是怎样产生的？
thin films
核心问题 自发极化 spontaneous polarization
自发极化与晶体结构和电子结构有什么关系？
在各种外界条件作用下极化状态怎样变化？ 特殊的物理性质和应用
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Sodium Potassium Tartrate Tetrahydrate
1920年 法国人Valasek发现罗息盐的 特异的 非线性介电性能，导致了“铁电性”概念的出现. 1920年成为铁电物理学研究开始的象征？
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目前，世界上存在200多种铁电体
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铁电体的晶体结构：ABO3 (ABF3) perovskite structure octahedra with A2+B4+ or A1+B5+
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5.应力效应(Stress Effect)
• 薄膜的应力是薄膜中重要参数之一，它不
仅影响薄膜的性能，而且影响电子器件的 可靠性。 • 应力可改变影响膜的力学、电学、光学、 相变性质；造成膜开裂和从衬底上撕裂， 甚至传到衬底永久失效；膜应力限制了膜 的厚度。 • 应力也将改变畴结构；居里点和开关性质。
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自发极化的产生
顺电相：Ba：（0，0，0） 铁电相：Ba：（0，0，0）
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Ti：（1／2，1／2 ，1／2）， 3O： （1／2，1／2 ，0）；(1／2，0 ，1／2）； （0，1／2 ，1／2) Ti：（1／2，1／2 ，1／2+0.0135），
7ຫໍສະໝຸດ Baidu
OⅠ：（1／2，1／2 ，-0.0250）， 2OⅡ： （1／2，0 ，1／2-0.0150）； （0，1／2 ，1／2-0.0150）
压电现象和电致伸缩的应用： 压电现象可用来变机械振动为电振荡，电致 伸缩可变电振荡为机械振动。
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二、铁电探测器
1、铁电热电探测器 A、原理 优点： 响应 速度快、 可在室温下 工作。
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B、器件设计
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C、探测器效果图
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薄膜中应力的引入
•
制膜过程温度变化引入的热应力 th=[Ef/(1-f)](f-s)(Td-T) 热膨胀系数，Ef杨氏模量，泊松比，Td沉积温度 • 内应力 当原子排列很紧密（比平衡态时）产生压缩应力 当原子排列较平衡态为松时产生张应力 • 与膜沉积过程有关：与衬底和膜之间不匹配，温度、压 力、浓度、杂质 • 外应力 • 居里点相变过程引入，绝大多数膜密度增加， • e=[Ef/(1-f)] (V/3V) • V/V膜中体积变化 Appl.Phys.Lett.76,3103,(2000); APL 2012-9-29 34 80,2961(2002);
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极化开关研究的意义
• 极化反转快慢是由畴
界运动速度（畴界动 性）决定，与材料的 结构、应力、缺陷有 关。 开关研究的意义：1。 研究电畴的成核、成 长、合并及与材料结 构、缺陷有关，开关 动力学。 2．存储器读写速度。
•
•
APL 76,369 (2001) APL 80,2961 (2002)
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SrBi2Ta2O9中的保持（Pr—t）
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3.印记(Imprint)
• 电滞回线的对称
性改变，某一极 化状态剩余极化 增加而在另一状 态减少，产生印 记。
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产生印记的原因
• 顶电极、底电极材料不同。 • 顶电极和底电极不同热处理经历使上下两薄膜电 • •
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铁电存储器 非挥发性铁电随机存储器（NvFeRAM) (Non-volatile Ferroelectric Random Access Memory)
• 即使在电源中断的情况，存储的信息也不会丢失 • 铁电体不仅作为电容而且是存储器的一部分
• • • • •
低电压运作（1.0-5.0V), 低功耗 小尺寸， 仅为EEPROM单元 的20% 抗辐射。（军用，卫星通讯） 高速：200ns 读取时间 易与其它Si器件集成
个可能的取向，其取向可以随电场而改变。 • 。有一电滯回线 • 。TC 居里温度 • 。热释电，压电，电光，声光，非线性光 学，铁电,介电性能
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铁电体的几个功能效应：
压电效应：在某些晶体的特定方向施加压力， 相应的表面上出现正或负的电荷，而且电荷密 度与压力大小成正比。
热电效应：极化随温度改变的现象
6.尺寸效应（Size Effect）
• 薄膜厚度，晶粒大小对薄膜性能的影响 • 意义：提高存储密度，减少电容的尺寸，
降低使用电压，需用减少薄膜厚度。 • 厚度减小：薄膜Pr减小，Ec增加 • 晶粒减小：能隙增大，光学性能变化
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尺寸效应的机制
• 1．界面层效应：铁电薄膜与电极之间有一层低介
电常数的界面层，d/=d/I+d/F • 2．晶粒尺寸影响：畴结构的变化（由多畴变为 单畴） • 在大晶粒膜到小晶粒膜时 Phys. Rev. B 54, R14337,( 1996); Phys. Rev. B 55, 3485, (1997) • 3．界面层应力：外延生长薄膜有1000MP的应 力存在 • J. A. P. 81, 1392, (1997); J. A. P. 83, 1610（ 1998） 2012-9-29 36
非线性光学效应、电光效应、光折变效应等
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压电体
一、压电体
压电现象： 某些离子型晶体的电介质，由于结晶点 阵的有规则分布，当发生机械变形时， 能产生电极化现象，称为压电现象。
电致伸缩： 晶体在带电或处于电场中时，其大小发 生变化，即伸长或缩短，是压电现象的 逆现象。
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在大电压下疲劳的恢复
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2.铁电保持（Retention)
• 保持是铁电电容单元保持存储在其中电荷q
（1 或0）的能力. • 在写信息后，极化电荷与时间的关系Pr—t • 通常在105秒后，Pr损失小于5% • 保持损失在第一秒中达15-20%， • 保持性能与外加电场及其频率有关 • 保持与电畴的弱钉扎有关 Appl.Phys.Lett. 73, 3674 (1998)
五个研究阶段： 第一阶段（1920—1939年） 两种铁电结构材料，即罗息盐和KH2PO4系列； 第二阶段（1940—1958年） Landau铁电唯象phenomenological理论开始建立 ，并趋于成熟；
第三阶段（1959—70年代） 铁电软模(Soft-Mode)理论出现和基本完善； 第四阶段（80年代至今） 主要研究各种非均匀系统。