铁电薄膜铁电性能的表征
《Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的弛豫与储能特性调控》范文
《Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的弛豫与储能特性调控》篇一一、引言随着现代电子技术的飞速发展，铁电材料因其独特的电性能和物理特性在微电子器件、传感器和储能器件等领域得到了广泛的应用。
Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜作为一种新型的铁电材料，具有优异的电性能和良好的稳定性，在铁电存储器、传感器和储能器件等领域具有巨大的应用潜力。
本文将重点探讨Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的弛豫与储能特性调控，为进一步优化其性能提供理论依据。
二、Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的弛豫特性Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的弛豫特性主要表现在其电性能随时间的变化。
在电场作用下，薄膜内部的极化过程会受到温度、频率和电场强度等因素的影响，导致其电性能发生弛豫现象。
为了研究这一现象，我们采用了多种实验手段，如介电谱、铁电测试等，对Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的弛豫特性进行了深入分析。
首先，我们通过介电谱测试得到了薄膜在不同温度和频率下的介电常数和介电损耗。
结果表明，随着温度的升高和频率的降低，薄膜的介电常数逐渐增大，而介电损耗则呈现出先减小后增大的趋势。
这表明在一定的温度和频率范围内，Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜具有良好的弛豫特性。
其次，我们利用铁电测试手段对薄膜的极化过程进行了研究。
结果表明，在电场作用下，薄膜内部的极化过程具有明显的滞后现象，即极化强度随时间逐渐增大并达到饱和状态。
这一过程与温度、频率和电场强度等因素密切相关，进一步证实了Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜具有良好的弛豫特性。
三、Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的储能特性调控为了进一步提高Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的储能性能，我们对其进行了多种调控手段的研究。
首先，通过改变薄膜的制备工艺参数，如沉积温度、气氛和退火时间等，可以有效地调控薄膜的微观结构和成分，从而影响其储能性能。
其次，通过引入掺杂元素或制备复合材料等方法，可以进一步提高薄膜的储能密度和效率。
《铁电性薄膜储能性能调控及其设计机理》范文
《铁电性薄膜储能性能调控及其设计机理》篇一一、引言随着科技的进步和人类对能源的需求不断增长，新型储能材料和器件的研发成为了当前的研究热点。
铁电性薄膜作为一种具有独特性能的储能材料，其储能性能的调控及其设计机理成为了众多科研工作者的研究重点。
本文将就铁电性薄膜的储能性能调控及其设计机理进行深入探讨。
二、铁电性薄膜的基本性质与储能原理铁电性薄膜是一种具有铁电性的材料，其电学性能在一定的温度范围内具有可逆的电偶极矩变化。
这种变化使得铁电性薄膜在电场作用下能够存储和释放电能，从而实现储能的目的。
铁电性薄膜的储能性能主要取决于其内部极化状态的变化，而这种变化受到温度、电场、应力等多种因素的影响。
三、铁电性薄膜储能性能的调控1. 成分调控：通过调整铁电性薄膜的成分，可以改变其晶格结构、相变温度等关键参数，从而影响其储能性能。
例如，通过掺杂不同元素，可以改变薄膜的介电常数、剩余极化强度等。
2. 结构调控：通过改变铁电性薄膜的晶粒尺寸、取向度等结构参数，可以优化其内部应力分布，从而提高其储能性能。
此外，多层膜结构的设计也能有效提高储能性能。
3. 外部场调控：通过施加外电场或热场，可以改变铁电性薄膜的极化状态，从而实现对储能性能的调控。
这种方法具有响应速度快、操作简便等优点。
四、铁电性薄膜储能性能的设计机理1. 畴壁运动机制：铁电性薄膜中的畴壁运动是其储能性能的重要来源之一。
通过优化畴壁运动，可以降低能量损耗，提高储能效率。
2. 极化反转机制：在电场作用下，铁电性薄膜的极化状态发生反转，从而实现能量的存储和释放。
优化极化反转机制，可以提高薄膜的剩余极化强度和抗疲劳性能。
3. 界面效应：界面效应对铁电性薄膜的储能性能具有重要影响。
通过优化薄膜与基底的界面结构，可以改善其储能性能。
此外，通过引入具有特定功能的界面层，还可以进一步提高储能性能。
五、应用前景与展望铁电性薄膜作为一种具有独特性能的储能材料，在能源存储、传感器、微电子等领域具有广阔的应用前景。
电子功能材料实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的本次实验旨在了解电子功能材料的制备、表征及其在电子器件中的应用。
通过实验，掌握电子功能材料的制备方法、结构表征技术以及器件制备的基本流程，为今后从事相关领域的研究和工作打下基础。
二、实验内容1. 电子功能材料的制备- 采用化学气相沉积（CVD）法制备氮化镓（GaN）薄膜。
- 采用溶液法合成ZnO纳米颗粒。
2. 电子功能材料的表征- 利用X射线衍射（XRD）分析GaN薄膜的晶体结构和物相组成。
- 利用扫描电子显微镜（SEM）观察ZnO纳米颗粒的形貌和尺寸。
- 利用透射电子显微镜（TEM）观察GaN薄膜的微观结构。
3. 电子器件的制备与应用- 利用制备的GaN薄膜制备高电子迁移率晶体管（HEMT）。
- 利用制备的ZnO纳米颗粒制备光致发光二极管（LED）。
三、实验过程1. 电子功能材料的制备- 氮化镓（GaN）薄膜的制备：将高纯度氮化氢气体和氢气通入CVD反应室，在高温下使氮化氢气体分解，与氢气反应生成GaN薄膜。
- 氧化锌（ZnO）纳米颗粒的制备：将ZnO前驱体溶液滴加到去离子水中，在超声搅拌下进行溶液法合成。
2. 电子功能材料的表征- X射线衍射（XRD）分析：将制备的GaN薄膜和ZnO纳米颗粒进行XRD测试，分析其晶体结构和物相组成。
- 扫描电子显微镜（SEM）观察：将制备的ZnO纳米颗粒进行SEM测试，观察其形貌和尺寸。
- 透射电子显微镜（TEM）观察：将制备的GaN薄膜进行TEM测试，观察其微观结构。
3. 电子器件的制备与应用- 高电子迁移率晶体管（HEMT）制备：将制备的GaN薄膜进行掺杂，制备HEMT器件。
- 光致发光二极管（LED）制备：将制备的ZnO纳米颗粒与有机材料复合，制备LED器件。
四、实验结果与分析1. 电子功能材料的制备- 通过CVD法制备的GaN薄膜，XRD测试结果显示为纤锌矿结构，晶格常数为a=0.318 nm，c=0.617 nm。
- 通过溶液法制备的ZnO纳米颗粒，SEM测试结果显示颗粒形貌为球形，平均粒径约为30 nm。
《Bi5Ti3FeO15基薄膜的多铁性与铁电光伏效应》范文
《Bi5Ti3FeO15基薄膜的多铁性与铁电光伏效应》篇一一、引言随着现代科技的发展，多铁性材料因其独特的物理性质和潜在的应用前景，已成为材料科学研究的重要领域。
Bi5Ti3FeO15基薄膜作为一种典型的多铁性材料，具有丰富的物理性质和潜在的应用价值。
本文将重点探讨Bi5Ti3FeO15基薄膜的多铁性和铁电光伏效应，以期为相关研究提供参考。
二、Bi5Ti3FeO15基薄膜的结构与性质Bi5Ti3FeO15基薄膜是一种具有钙钛矿结构的复合氧化物薄膜。
其晶体结构由Bi、Ti和Fe等元素组成，具有较高的结晶度和良好的稳定性。
该薄膜具有多铁性，即同时具有铁电、铁磁和铁弹性质，使得其在多场耦合、磁电耦合等方面具有独特的应用价值。
三、多铁性研究多铁性是指材料同时具有多种铁性性质，如铁电、铁磁等。
Bi5Ti3FeO15基薄膜的多铁性源于其特殊的晶体结构和电子结构。
在电场作用下，该薄膜的铁电性质表现为电偶极矩的可逆变化；在磁场作用下，其铁磁性质表现为磁化强度的变化。
此外，该薄膜还具有铁弹性质，即在一定条件下可发生晶格畸变。
这些性质使得Bi5Ti3FeO15基薄膜在多场耦合、磁电耦合等方面具有广泛的应用前景。
四、铁电光伏效应铁电光伏效应是指铁电材料在电场作用下产生的光生电压效应。
Bi5Ti3FeO15基薄膜具有较高的铁电性能和光响应性能，因此具有显著的铁电光伏效应。
当光照射到该薄膜表面时，光生载流子在电场作用下发生分离和迁移，从而产生光生电压。
这一现象在太阳能电池、光电传感器等领域具有潜在的应用价值。
五、实验研究为了深入研究Bi5Ti3FeO15基薄膜的多铁性和铁电光伏效应，我们开展了系列实验。
首先，通过溶胶-凝胶法制备了Bi5Ti3FeO15基薄膜，并对其晶体结构和形貌进行了表征。
其次，利用铁电测试仪和光伏测试系统，研究了该薄膜的铁电性能和光伏性能。
实验结果表明，Bi5Ti3FeO15基薄膜具有较高的剩余极化强度和良好的光响应性能，其铁电光伏效应显著。
SBN60铁电薄膜
铁电材料BaTiO3的制备及其压电、光伏特性实验报告
铁电材料BaTiO3的制备及其压电、光伏特性实验报告调研报告一、文献综述1.背景：铁电材料是指具有自发极化，而且在外加电场下，自发极化发生转向的电介质材料，它是热释电材料的一个分支。
铁电材料由于其铁电性、介电性、压电性、热释电效应、热电效应、电光性质等特性，而广泛应用于各个领域(见下表1),如在通讯系统、微电子学、光电子学、集成光学和非机械学等领域有着重要的或潜在的应用,从而引起国内外学者的广泛研究。
表1.铁电薄膜材料的应用性质主要叁件介电性电容器，动态随机存取存储器(DRAM)压电性声表面波(SAW)器件、微型压电马达、微型压电骡动器热科电性热释电探测罂及阵列铁电性铁电HI机存取存储器(FRAM)、铁电场效应管电光效应光调制嘱，光波导声光效应声光偏转器光折交效应光注制器.光全息存储器非线性光学效应光学倍频器铁电薄膜材料根据成分可分为三大类，包括锯酸盐系、钛酸盐系、铝酸盐系，其中典型铁电材料有:钛酸钢(BaTiO3)、磷酸二氢钾(KH2Po4)等，然而BaTi03是一种强介电化合物材料，它具有很高的介电常数和较低的介电损耗，是电子陶瓷中使用最广泛的材料之一，它被称作“电子陶瓷工业的支柱”。
同时该材料是最早研究的钙钛矿结构的铁电材料，因此通过对该材料的学习、制备和性能的检测，对铁电材料领域的相关知识的了解有着重要的意义。
前人们对钛酸钢的制备和性能有着很多的研究，FI前对钛酸钢材料的研究已经往微型化发展，制备成铁电薄膜材料，同时研究不同的制备方法、元素掺杂等对钛酸钢薄膜材料性能的影响，在这基础上，研究外界条件(外加磁场等)对铁电薄膜材料的物理调控，渐渐的利用其性质应用于器件中(光伏器件、电容器等)。
2.制备方法与结构性质：结构性质：电介质材料按其晶体对称性可分为32种点群，在这32种晶体学点群中，有21种不具有对称中心，其中20种呈现压电效应。
而这20种压电性晶体中的10种具有受热而自发极化现象，因其是受热而引起电极化状态的改变，故这10种晶体又称为热释电晶体。
铁电薄膜铁电性能的表征
铁电薄膜铁电性能的表征091120***引言：铁电体是如此一类晶体:在必然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.铁电体并非含“铁”,只是它与铁磁体具有磁滞回线相类似，具有电滞回线，因此称为铁电体。
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。
铁电体即便在没有外界电场作用下，内部也会显现极化，这种极化称为自发极化。
自发极化的显现是与这一类材料的晶体结构有关的。
晶体的对称性能够划分为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）发生转变，才能显示固有的极化，这能够通过测量一闭合回路中流动的电荷来观测。
热释电确实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，其特点确实是自发极化强度可因电场作用而反向，因此极化强度和电场E 之间形成电滞回线是铁电体的一个要紧特性。
自发极化可用矢量来描述，自发极化出此刻晶体中造成一个特殊的方向。
晶体红，每一个晶胞中原子的构型使正负电荷重心沿那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。
在其正负端别离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，因此均匀极化的状态是不稳固的，晶体将分成假设干小区域，每一个小区域称为电畴或畴，畴的间界叫畴壁。
畴的显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固性。
实验目的：1、了解铁电参数测试仪的工作原理和利用方式2、了解什么是铁电体，什么是电滞回线及其测量原理和方式。
PZT铁电薄膜材料的制备技术
PZT铁电薄膜材料的制各技术1.铁电薄膜材料背景综述薄膜和层状结构工艺的进步对于集成电路和光电子器件的发展是至关重要的臼。
铁电薄膜是指具有铁电性、且厚度在数十纳米至数微米问的薄膜。
铁电材料的研究一般被认为是始于1920年，法国人发现了罗息盐，即酒石酸钾钠(NaKC4H4O6-4H2O),在外电场E作用下，其极化强度P有如图1所示滞后回线关系，表现出特殊的非线性介电行为。
由于图1的P・E 关系曲线有和铁磁体的关系曲线相类似的特点，因而P-E关系被称为电滞回线(Hysteiesisloop)拥有这种特性的晶体被称为“铁电体”，相应的材料被称为“铁电材料”口】。
随后发现了相似结构的KH2P。
4系列；1940〜1958年，发现了第一个不含氢键，具有多个铁电相的铁电体BaPCh; 1959年到上世纪70年代，包括钙钛矿结构的PbPO3系列、铝青铜结构的锯酸盐系列等在内的大量铁电体被发现，也是铁电的软模理论出现并基本完善的时期；上世纪80年代至今，铁电体的研究主要集中于铁电液晶、聚合物复合铁电材料、薄膜材料和异质结构等非均匀系统。
以钻钛酸铅Pb(Zr】_xPx)O3(简称PZT)为代表的一大类铁电压电功能薄膜材料因其具有良好的压电、铁电、热释电、电光及非线性光学等特性，在微电子和光电子技术领域有着广阔的应用前景，受到人们的广泛关注和重视几乎所有的铁电体材料均可通过不同的制备技术制成相应的薄膜材料，但迄今为止研究较为集中的铁电薄膜材料主要有两大类，一类是钛酸盐系铁电薄膜; 另一类是锯酸盐系铁电薄膜。
最典型的铁电体是具有钙铁矿结构的铁电体-ABO3(Perovskite)结构，如图2 所示。
佟I 2钙钛矿铁电材料晶胞小意图PZT是典型的ABO3钙钛矿结构，在每个钙钛矿元胞中，铅离子(Pb?与占据8个顶点的位置，氧离子(O')占据6个面心，结或钛粒子亿产m4+)位于八面体的空位。
在现有的铁电薄膜材料中，使用较多的是PZT薄膜系列。
《铁电性薄膜储能性能调控及其设计机理》范文
《铁电性薄膜储能性能调控及其设计机理》篇一一、引言铁电性薄膜作为一类重要的功能材料，在微电子、光电子器件以及储能器件等领域具有广泛的应用前景。
其独特的电学性能和储能特性，如高介电常数、非易失性存储以及良好的能量存储密度等，使得铁电性薄膜成为当前研究的热点。
然而，如何有效调控铁电性薄膜的储能性能并理解其设计机理，仍是当前研究的挑战。
本文将重点探讨铁电性薄膜的储能性能调控及其设计机理，以期为相关研究提供参考。
二、铁电性薄膜的储能性能铁电性薄膜的储能性能主要表现在其介电性能和电滞回线特性。
介电性能反映了薄膜在电场作用下的极化程度，而电滞回线则反映了薄膜在交变电场下的非易失性存储和能量存储能力。
这两种特性共同决定了铁电性薄膜的储能性能。
三、铁电性薄膜储能性能的调控针对铁电性薄膜的储能性能，可通过以下方法进行调控：1. 材料设计：通过调整材料的化学成分、晶格结构和缺陷分布等，优化铁电性薄膜的储能性能。
例如，引入特定的杂质元素或采用复合材料设计等方法，可以提高薄膜的介电常数和能量存储密度。
2. 工艺优化：通过优化制备工艺，如控制薄膜的厚度、结晶度以及表面形貌等，可以改善铁电性薄膜的储能性能。
例如，采用脉冲激光沉积法或原子层沉积法等制备技术，可以获得高质量的铁电性薄膜。
3. 外部调控：通过施加外部电场、温度等手段，可以改变铁电性薄膜的极化状态和介电响应，从而实现对储能性能的调控。
这种方法具有灵活性和可逆性，为实际应用提供了方便。
四、设计机理探讨铁电性薄膜的储能性能设计机理主要包括以下几个方面：1. 材料的本征特性：铁电性薄膜的储能性能与其本征特性密切相关，如材料的晶格结构、相变行为以及缺陷分布等。
这些特性决定了薄膜的介电常数、极化强度以及能量存储能力等关键参数。
2. 电场作用下的极化过程：在交变电场作用下，铁电性薄膜发生极化过程，产生非易失性存储和能量存储能力。
这一过程涉及电子的迁移、偶极子的翻转以及界面效应等多种物理机制。
实验29 铁电性能测量实验讲义
铁电体电滞回线的测量铁电材料是一类具有自发极化，而且其自发极化矢量在外电场作用下可以翻转的电介质材料，它具有优异的铁电、压电、介电、热释电及电光性能，在非挥发性铁电存储器、压电驱动器、电容器、红外探测器和电光调制器等领域有重要的应用。
铁电材料的主要特征是具有铁电性，即极化强度与外电场之间具有电滞回线的关系，如图1所示。
电滞回线是铁电体的重要特征和重要判据之一，通过电滞回线的测量可以得到自发极化强度P s、剩余极化强度P r、矫顽场E c等重要铁电参数，理解铁电畴极化翻转的动力学过程。
【实验目的】1.了解铁电测试仪的工作原理和使用方法。
2.掌握电滞回线的测量及分析方法。
3.理解铁电材料物理特性及其产生机理。
【实验仪器】本实验采用美国Radiant Technology公司生产的RT Premier Ⅱ型标准铁电测试仪，该仪器可以测量铁电材料的电滞回线、漏电流、疲劳、印痕、PUND (Positive Up Negative Down)等性能，而且配备了变温系统和热释电软件还可以测量热释电性能。
【实验原理】铁电体的自发极化强度并非整个晶体为同一方向，而是包括各个不同方向的自发极化区域，其中具有相同自发极化方向的小区域叫做铁电畴。
电滞回线的产生是由于铁电晶体中存在铁电畴。
铁电体未加电场时，由于自发极化取向的任意性和热运动的影响，宏观上不呈现极化现象。
当加上外电场大于铁电体的矫顽场时，沿电场方向的电畴由于新畴核的形成和畴壁的运动，体积迅速扩大，而逆电场方向的电畴体积则减小或消失，即逆电场方向的电畴转化为顺电场方向，因此表面电荷Q(极化强度P)和外电压V(电场强度E)之间构成电滞回线的关系。
另外由于铁电体本身是一种电介质材料，两面涂上电极构成电容器之后还存在着电容效应和电阻效应，因此一个铁电试样的等效电路如图2所示。
其中C F对应于电畴反转的等效电容，C D对应于线性感应极化的等效电容，R C对应于试样的漏电流和感应极化损耗相对应的等效电阻。
无机表面薄膜力学及耐蚀性能及研究
博士学位论文摘要表面薄膜赋予材料表面耐磨、耐蚀、耐热、耐疲劳以及特殊的光、热、电和磁等多种功能，在现代高新技术中受到了越来越多的重视，成为材料科学中最活跃的研究领域之一。
薄膜材料和薄膜技术为机械、能源和交通等部门，以及现代军事提供了具有优异性能的新材料和器件，极大地促进了光电子技术、计算机技术、航空航天技术等现代高新技术的发展，在高新技术产业中具有举足轻重的作用。
本文研究了三种无机薄膜的制备工艺及其力学和耐蚀性能，获得了一些有意义的结果。
采用磁控溅射方法在硅和玻璃基体上沉积了BaTiO3(BTO)薄膜，通过原位测试不同厚度BTO薄膜的应力、介电常数和铁电性能随温度的变化规律，系统研究了薄膜的铁电性能与厚度和应力的关系，并用两种方法确定BTO薄膜的双轴杨氏模量和热膨胀系数。
实验结果表明，BTO薄膜中的应力为张应力。
膜中张应力随薄膜厚度的减小而增大，导致居里温度下降，剩余极化减小，矫顽场增大。
特别是当厚度较小(35~250nm)时，这种变化更加明显。
张应力对薄膜居里温度的影响主要位于300-450Mpa应力区间，在该区间内，应力增大导致薄膜居里温度线性下降（0.16℃/Mpa）。
根据温度升高过程中BTO薄膜应力曲线的斜率变化、介电常数峰值、电滞回线收缩等确定的居里温度一致。
由于薄膜中张应力的存在，BTO薄膜相变温度比体材料的相变温度低。
电滞回线表明铁电-顺电相变开始于BTO薄膜的居里温度，并持续到接近BTO体材料的居里温度。
说明BTO薄膜中存在多种畴。
BTO薄膜的铁电性能主要由膜内畴决定，而表面畴的影响相对很小。
另外，根据升温过程中铁电-顺电相变时晶胞体积和应变的变化，以及不同基体上BTO薄膜应力随温度变化率的计算结果表明，BTO薄膜双轴杨氏模量比体材料的稍大，而热膨胀系数比体材料的偏小。
薄膜应力的存在和变化对薄膜与基体的粘结强度有很大影响。
为了制备高质量的类金刚石（DLC）薄膜，并改善DLC薄膜和基体之间的粘接强度，采用双离子束轰击混合（DIBM）技术+离子束沉积(IBD)技术在钢基体上沉积DLC膜，研究了DLC膜的力学性能和耐蚀性能。
10.2 铁电薄膜铁电性能的表征
实验10.2 铁电薄膜铁电性能的表征一、引言铁电体（Ferroelectrics）是这样一类材料：在一定温度范围内存在自发极化，且自发极化具有两个或多个可能的取向，在电场作用下其取向可改变。
铁电体并不含“铁”，只是它与具有磁滞回线的铁磁体相类似，具有电滞回线，因而称为铁电体（Ferroelectrics）。
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（Curie Weiss）定律。
铁电相与顺电相之间的转变通常为铁电相变，转变温度称为居里温度或居里点T。
铁电体即使在没有外电场的作用下，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材料的晶体结构有关的。
第一个铁电体是1655年住在法国Rochelle的药剂师Seignett所发现的罗息盐（酒石酸钠钾NaKC4H4O6+4H2O），自本世纪20年代发现它的铁电性以来，铁电研究经历了四个阶段：第一阶段为1920至1939年，发现了两种铁电结构，即罗息盐和KH2PO4（KDP）系列；第二阶段发现了不含氢键，具有多个铁电相的铁电体BaTiO3，在这阶段开始建立有关铁电体的唯象理论并趋于成熟；到了70年代包括钙钛矿结构的PbTiO3系列，钨青铜系列在内的大量铁电体被发现，同时在相应理论方面Coheran和Anderson提出铁电软模理论并得到完善；第四阶段为80年代至今，研究集中于铁电液晶、聚合物复合材料、薄膜材料和异质结构等非均匀系统。
图1 钛酸铅的晶体结构晶体的对称性可以划分为32种点群。
在无中心对称的21种点群的晶体类型中除432点群外其余20种都有压电效应，其中有10种具有极性的晶体（点群1，2，m，3，3m，mm2，4，4mm，6，6mm）具有热释电性。
它们具有自发极化，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，才能显示出固有极化，这可以通过测量一闭合回路中流动的电荷来观测。
铁电薄膜研究中的几个重要问题
铁电薄膜研究中的几个重要问题。
肖定全<四川大学材料科学系四川成都610064>摘要!近十多年来!铁电薄膜及集成铁电器件一直是材料科学工作者和电介质物理工作者关注和研究的热点之一"要使集成铁电器件得到更广泛的应用!还应针对铁电薄膜本身和铁电薄膜异质结构开展更深入的研究"本文针对铁电薄膜的疲劳#老化和电压漂移#电阻等特性退变!以及薄膜异质结构的表面和界面等问题!结合作者的研究工作!进行比较概括的分析!并提出一些解决问题的方法"关键词!铁电薄膜"集成铁电器件"铁电材料"疲劳中图分类号!TB43文献标识码!A文章编号!1001-9731#Z003$05-0479-031引言具有铁电性且厚度在数十纳米至数微米的薄膜材料叫铁电薄膜铁电薄膜是一类重要的功能性薄膜材料多年来一直是铁电性研究和高技术新材料研究的前沿和热点之一铁电薄膜材料集成铁电器件以及与之相关的物理问题多年来一直是物理学<特别是电介质物理学>材料科学与工程微电子与光电子等领域的科学技术人员所关注的重要问题之一鉴于铁电薄膜已获得应用和正在开发的应用范围很广因而关于铁电薄膜本身特性的退变问题以及表面与异质界面问题的研究就愈显重要[1]本文根据作者在编著铁电薄膜[Z3]中的一些体会结合作者多年的研究和国内相关工作的进展就铁电薄膜的疲劳特性老化特性与电压漂移电阻特性退变保存特性与写入特性表面与异质结界面等问题作概括介绍并提出作者的一些看法Z铁电薄膜的特性退变[4]铁电薄膜<包括某些高介电常数的钙钛矿型介电薄膜>的特性随时间温度和<或>外加电场而退变的机制一直是近年来铁电薄膜物理研究的重要问题之一铁电薄膜的特性退变将极大地影响着利用铁电体和高介电常数电介质所制备的器件的寿命和可靠性例如疲劳和老化将直接关系到铁电薄膜在微电子学光电子学<包括热释电探测>等应用中的使用可靠性;介电体的电阻退变直接影响着高介常数电介质薄膜在动态随机存取存储器<DRA M>应用中的寿命正因为如此对铁电薄膜的特性退变机制研究以及寻求如何减小退变的途径一直为铁电薄膜科技工作者所关注3铁电薄膜的疲劳特性[57]铁电薄膜在反复的极化反转过程中的疲劳特性可由图1来说明该图中的3条电滞回线分别给出了以Pt作为电极的PZT <40/60>铁电薄膜在最初状态经3.5>108开关循环后以及在15V偏压下经紫外光辐照后的P-V特性[5]该图清楚地表明铁电薄膜在反复开关后电滞回线变窄剩余极化明显下降<甚至大幅度下降>这就是典型的铁电疲劳特性该图1还表明在外加偏压作用下紫外光辐射后铁电薄膜的电滞回线又几乎恢复到它的初始状态图1中插图给出了在铁电薄膜的畴界上因俘获及电荷可能引起的电畴结构状态图1PZT(40/60)铁电薄膜在初始状态经3.5>108开关循环后9以及在15V偏压下经紫外光辐照后的电滞回线F i g1P-V l OO p s Of PZT fil m s sub ected t O a se C uence Of electri-cal and O p tical scenari Os9i niti al S3.5>108c y cl es(el ectri-cal f ati g ue)9and a UV/-15V cO mbi nati On现在比较一致的观点认为铁电体的疲劳特性亦即其可开关电极化的减小是由于铁电体中的电畴受到畴壁钉扎<p i n-ni n g Of dO m ai n Walls>的结果正是这种钉扎作用限制了电畴的开关性能人们已经提出了几种畴壁钉扎机制包括电子俘获<electr Onic-char g e tra pp i n g>和氧空位等[6]不过要想单纯通过电学测量来明确区分这两种机制是不可能的需要着重指出制备铁电薄膜所采用的电极材料对铁电薄膜的疲劳特性有重要的影响当用Pt电极时Pt/PZT/Pt将会产生严重的铁电疲劳但是很多实验表明当用<La S r>CO O3 <LSCO>Ru OZ Ir O Z等金属氧化物作电极时PZT薄膜则几乎没有铁电疲劳的现象[7]单金属<如Pt>电极与金属氧化物电极对铁电薄膜疲劳的这种影响结果给人们一个非常明确的信息铁电体与电极的相互作用在确定铁电疲劳特性中起着至关重要的作用还需要指出铁电薄膜的疲劳特性与实验条件<对铁电薄膜器件而言就是使用条件>关系也很大例如若在对铁电薄膜进974肖定全等:铁电薄膜研究中的几个重要问题。
材料的铁电性能综述
材料的铁电性能综述摘要：回顾了铁电现象的发现及发展，简述了铁电性的机理，描述了铁电材料应用现状与前景，并介绍了几类前景很好的铁电材料。
指出目前对于铁电性的还需要进行更多的和更深入全面的研究。
关键词：铁电性，电畴，铁电薄膜，存储器前言：铁电材料，是指具有铁电效应的一类材料，它是热释电材料的一个分支。
铁电材料及其应用研究已成为凝聚态物理、固体电子学领域最热门的研究课题之一。
铁电材料是一类重要的功能材料，是近年来高新技术研究的前沿和热点之一。
在一些电介质晶体中，晶胞的结构使正负电荷重心不重合而出现电偶极矩，产生不等于零的电极化强度，使晶体具有自发极化，晶体的这种性质叫铁电性（ferroelectricity）。
铁电性：铁电性是某些绝缘体材料中在外加电场的作用下自发极化可以被反转的特性。
多数材料的极化是与外加电场线性成正比的，非线性效应是不显著的。
这种极化叫做电介质极化。
有些称作顺电体的材料，线性的极化效应更加显著。
于是与极化曲线斜率相对应的介电常数是以一个外加电场的函数。
除了非线性效应以外，铁电材料中还存在自发极化。
这种材料称作焦电材料。
铁电材料与其不同之处在于它的自发极化可以在外加电场作用下被反转，产生一个电滞归线。
一般来说，材料的铁电性只存在于某一相变温度以下，称为居里温度。
在这个温度以上，材料变为顺电体。
铁磁体中的原子有固定的磁偶极矩，这些磁矩自发排列起来。
自发排列的原因是固体中电子的量子力学效应。
铁磁体的居里温度指向顺磁体转变的温度，同理对铁电体，指材料不再是铁电体的温度。
对于一块未极化铁电晶体，电畴随机排列，净极化强度为零。
当外加一个电场时，电畴同时向电场方向转动，当电场足够强时，全部电畴沿电场方向排列一致，这时晶体变成一个大电畴，处于极化饱和状态。
当扭转电场时，极化反转但不回零，晶体获得一个剩余极化强度PR，当电场被扭转到矫顽场Ec时，剩余极化强度被去除。
铁电相是一个相当严格的状态，大多数材料都是顺电状态，顺电相指即使没有固有电偶极子，电场也可诱发极化。
电子材料的压电性能与铁电性能
第二节 热释电与铁电性能
（2）逆热释电效应或电生热效应 对热释电晶体绝热施加电场时，其温度将发生变化
（3）热释电红外敏感元件 ①能充分吸收入射的红外线 ②热释电材料比热应小，且方便加工成薄膜化元件 3 热释电材料 PbTi03和PZT陶瓷、硫酸三甘肽TGS和LiTiO3单晶 用于非接触测量旋转体和高温体的温度
二 压电振子与压电方程
1 压电振子及其特征频率 （1）压电振子的基本概念
压电振子固有振动频率fr
(2)最小阻抗频率fm
振子阻抗为最小的频率
(3)最大阻抗频率fn
振子阻抗为最大的频率 (4)有损耗的压电振子等效
电路图
压电性能
第一节
(5) 特征频率的含义
压电性能
第一节 压电性能
2 边界条件 机械边界条件：机械自由，机械夹持 电学边界条件：电学短路，电学开路 压电振子共有四类边界条件
1 电光行为分区
(1)二次电光效应区：处于铁电和顺电的相界，在SFE 区，组成有8.8/65/35、9/65/35、8/70/30
(2)记忆效应区：具有电驱动光开关效应，处于FERh斜 方铁电相区，组成有7/65/35和8/65/35
第一节 压电性能
三 压电性能的主要参数
1 介电常数 反映材料的介电性质（或极化性能）
2 介质损耗 表征介电发热导致的能量损耗
3 弹性系数 压电体是一个弹性体，服从虎克定律
4 压电常数 机械能转变为电能或电能转变为机械能的转换系数
5 机械品质因数 表征谐振时因克服内摩擦而消耗的能量
6 机电耦合系数 表征机械能与电能相互转换能力
1、压电常数d33
压电常数是反映力学量（应力或应变）与电学量 （电位移或电场）间相互耦合的线性响应系数。
BNT、PZT铁电薄膜的残余应力
ii
硕士毕业论文
BNT、PZT 铁电薄膜的残余应力
杨建桃
ABSTRACT
Current interest in ferroelectric thin film results from the numerous potential applications in micro-electronics, micro electromechanical system (MEMS) and information storing that utilize the unique ferroelectric, dielectric, pyroelectric, electro-optic, acousto-optic, and piezoelectric properties of the material. Therefore, the preparation and properties study on the ferroelectric thin film have attracted great interests. Due to the structural misfit and thermal misfit of the thin film/substrate system and the process form high temperature to low temperature during the preparation process of thin film, residual stress will be produced inevitably. The residual stress exits in thin film may lead to the degradation, or delamination or completely failure of the thin film. In this case, the study of residual stress in ferroelectric thin film is very important. In this paper, we introduce the preparation of Bi 3.15 Nd 0.85 Ti 3 O 12 (BNT) ferroelectric thin films by chemical solution deposition (CSD) method, and characterize the microstructure and ferroelectric properties of BNT thin films, mainly focus on the evaluation and analysis of residual stresses in BNT and Pb(Zr 0.52 Ti 0.48 )O 3 (PZT) thin films by X-ray diffraction (XRD). The main results are given as follow. BNT ferroelectric thin films were prepared by CSD method. The microstructure and ferroelectric properties of thin film prepared under different experiment parameters were characterized. Varying annealed temperature, the BNT thin film annealed at 750 0 C in air and 700 0 C in oxygen show best ferroelectric properties. While the rapid-thermal-process annealing time is less than 180 s, the increase of annealing time could effectively improve the polarization and decrease the coercive voltage. And the BNT thin film show good ferroelectric properties only when the thickness of thin film reached a certain value. The prepared thin film presents perfect electric fatigue characteristic that the P-V loop showed little change after 10 9 cycles switching. The residual stress in BNT thin film was measured by the conventional sin 2 ψ method using XRD. The experiment showed that the tensile residual stress decreased with the increase of annealing temperature. The relationship between residual stress and remanent polarization of BNT thin film was discussed by the
铁电薄膜及其应用
铁电薄膜及其应用叶锄学隈,第17第2国外建材科技辐衫V o1.17N0.2Jun.1996铁电薄膜及其应用继2/多(材料科学与工程学院相摘要:本文简要地舟鳍了近年采MRS国斥论文架和姜池文献所担导的兰于镘电薄膜的制备技术,薄虞材料厦其开发应用方面的发展概况.展示出l挂电薄膜良奸的发展前景.关键词:驶电薄膜制备技术辐射;制备技采1引言薄膜科学与技术是新材料发展前景最活跃的领域之一.在衬底材料上镀膜可起到三方面作用:a)优化表面性能;b)进行微细加工;c)产生新的功能特性.相对于体材料,薄膜更具有灵敏度高,稳定性好的优点.薄膜材料包括无机膜(金属膜,无机陶瓷膜)和有机高分子膜.以及复合膜(金属与陶瓷,陶瓷与高聚物,陶瓷与陶瓷等).并且,随着薄膜基础理论研究的深人,薄膜制备技术的进步和新薄膜器件的开发.新型的高性能的或者多功能的薄膜材料将得到长足的发展.例如多层膜材料,c薄膜材料,金刚石和氮化碳超硬薄膜材料,包括铁.薄膜在内的各种功能薄膜材料,LB膜材料等等,是近几年来国内外迅速发展的薄膜材料铁电薄膜包括铁电陶瓷(多晶),铁电晶体(单晶)和铁电非晶态薄膜,是一类重要的多功能的薄膜豺料.它们具有铁电,压电,热电,介电,电光,光折变和非线性光学等一系列优￡性能,综合利用这些特性可以制成各种功能器件,诸如集成铁电存储器,压电传感器超声传感器,红外撩测器,激光检潮器,电光凋制开关,光波导器件,光存贮与显示,图像存贮与显光变频器,声表面渡器件,微驱动器,微马达等.可广泛应用于微电子学,光电子学,声电子学,集成光学,微机械学等诸多领域因此,铁电薄膜已成为科技发展的一个热点.近年来,许多大型国际会议都设有专题交流美于这方面的研究成果,如每年召开二次的MRS会议.本文主要根据近五年来”MRS会议”论文集所提供的资料,并参考其他文献资料.扼要地阐述铁电薄膜材料的特性,应用,制备技术及其发展前景.2铁电薄膜材料主要性能及其应用铁电材料属于无中心对称的低对称性材料,具有铁电性铁电性可以有许多应用,以计算机的存储器为例,早期计算机的存浩器是利用铁磁性材料所具有的磁滞回线来存贮信息.同样道理这样的存储器也可以利用铁电性材料所具有的电滞回线来存贮信息收稿日期:I996—03—29.盘葆卉:女一1943年生?阱师?武汉:武汉工业大学材料科学与工程学院(430070)国外建材科技1996年6月对于同时具有多种特性的铁电材料,其重要意义不仅仅限于铁电性,介电性,而是与其他物理现象的相互作用.例如,由铁电体贮存的电能:a)通过压电效应,电致伸缩效应,压电一导电性等,可以和机械能相关联;b)通过热电效应可以和热能相关联;c)通过光致电导性,光学的介电常数等可以和光相关联.又如由铁电体贮存的机械能通过光弹性效应可以和光相关联等等.由此,可以开发出各种各样的功能材料若是把铁电材料制成薄膜,有可能得到更好的特性,包括具有很高的介电常数和耐压强度;具有很高的自发极化强度;具有可随外加电场反转的铁电畴;具有较低的矫顽电场;具有很高的抗辐射能力;以及铁电薄膜制备技术可以和大规模半导体集成技术相兼容等等,从而有利于制备出性能优异的各种器件.下面就几种典型的铁电薄膜材料及其应用作简单介绍;2.1锆钛酸铅铁电薄膜.Pb(ZrTi一x)Os(简称PZT)是PbTiO3铁电体和PbZrO3反铁电体的固溶体.PZT铁电薄膜是具有高介电常数的铁电材料,它的组成可在很宽的范围内变动,最佳的组成可以得到最好的介电和铁电性.这种薄膜材料集铁电,压电,热电和电光等性能于一体,可广泛应用于具有高存储密度的抗辐射损伤的非挥发性随机存储器,铁电场效应管,图像存储器,红外传感器,压电传感器,微执行器,集成电光器,铁电电容器等器件中.2.2镧掺杂锆钛酸铅铁电薄膜Pb.oLⅢ(Zr/0.Ti彻)Oa(简称PLZT)是在PZT基础上添加La改性的铁电薄膜材料.添加La主要是改善薄膜的电光特性,使之具有更高的电光系数,因而在执行某一功能动作时可以有较低的驱动电压.组成不同.PLZT铁电薄膜随外加电场的改变,将表现出不同的双折射行为”记忆”;”线性或一次电光效应”和”二次电光效应”,因而使薄膜具有不同的性能参数,如高低不同的矫顽场;不同形状的电滞回线,不同的压电系数和光电系数等.这种薄膜材料集铁电,压电,电光,介电,热电等性能于一体,广泛应用于高速随机存储的记忆器件,铁电动态存储器快速光电开关,张弛振荡器,非挥发性光学存储器,全内反光开关等器件中.2.3钛酸铅镧铁电薄膜(Pa,La)TiO~(称简PL T)铁电薄膜材料具有优异的铁电,热电,电光,介电和非线性光学等性质,可望在红外探测器,光波导,全内反光开关,电光调制开关,超声传感器等光电子学及其他高技术领域中获得广泛应用.2.4钛酸铅铁电薄膜PbTiOa是一种具有钙钛矿型结构的铁电材料,它有较小的介电常数,较大的白发极化,较小的矫顽场强和较高的居里温度,是一种较理想的制备微电子学,光电子学和声电子学器件的候选材料,其潜在的应用包括红外探测器,红外光场效应管,二维图象传感器,非挥发性铁电存储器,空阔光调制器,声表面波器件,大容量电容器等.2.5钛酸钡铁电薄膜B~TiO5具有钙钛矿型结构?是一种研究最早的铁电压电材料.BaTiO,铁电薄膜具有压电,铁电,介电,热电和正温度系数特性,利用上述特性,可应用于红外探测器,铁电存储器,二次谐波振荡,各种热敏元件,太容量电容器等.目前研究较多的是用脉冲激光淀积或有机化学气相沉积(MocVD)方法制备BaTiO外延膜和BaT[Oa异质外延膜,可望应用于高速随机存储记忆器件,快速光电开关等器件中.第17卷第2期金葆卉:铁电薄膜及其应用2.6铌酸锂铁电薄膜不具钙钛矿型结构的LiNbO作为非常重要的铁电材料具有优异的压电,铁电,电光和非线性光学性质,使其在电学,光学,声学上存在潜在的应用.例如,利用LiNbOa晶体的电气光学效应和光弹性效性,可望把这种材料用于光开关,光闸,光变频,光记忆,图像显示等器件中.着制成薄膜,就可以实现低电压操作,并用于光学集成电路元件等.又如在薄膜声表面波器件中,可用LiNbO晶体生产TV?VIF滤波器.值得指出的是:LiNbO;铁电薄膜材料最突出的特性是关于它的光波导性能.制备优质的LiNbOs非线性薄膜光波导,能与si半导体电路相兼容,可望开发出一系列新型集成光学器件.更何况这类材料一般具有介电常数小,相变温度高,机电耦台系数高,电光效应显着等特点,大部分光调制,光开关等光功能元件都可用LiNbO晶体制作.这些光功能元件谓之波导性元件,如波导型光调制器,波导型光开关等等.2,7其他铁电薄膜材料在1991~1995年间.MRS国际会议论文集上报导的其他铁电薄膜材料有:srTiO(Ba.Sr)TiO,BiTOlz,(Sr,Bi)TiOs,非晶铁电氧化物薄膜,(Pb,Ba)(Zr,Ti,Nb)O,PNZT,(BaNa)NbO3,BiSrTazOg,LaSrn5CoO3以及(Pb,Sc)TiO3等等;这些铁电薄膜材料各自分别在微电子学,光电子学,声电子学,铁电集成学,传感器,微机槭学等诸多领域存在潜在的应用.3铁电薄膜的制备技术Et前,已经发展了多种铁电薄膜的制备技术.可以说,几乎所有的薄膜生长方法都在实验室里被用来生长铁电薄膜.据1991~1995年间MRS国际会议”论文集上的报导,这些薄膜生长方法如下:3,1物理气相沉积(PVD)a)溅射(射频溅射,直流溅射,磁控溅射,反应溅射,多靶溅射).b)蒸发(电子束,电阻,高频,闪蒸,分子束外延).c)离子束技术(离子束溅射沉积,离子束辅助沉积等).d)脉冲激光淀积,激光闪蒸.3.2化学气相沉积(CVD)a)金属有机化学气相沉积(MOCVD)b)等离子增强化学气相沉积(PECVD)c)低压化学气相沉积(LPCVD)d)化学束沉积e)微波电子回旋等离子体化学气相沉积(ECR--PECVD)3.3化学溶剂法a)溶胶一凝胶(SolGe1)b)金属有机溶解(MOD)3.4溶料溶解法液相外延(LEP)国外建材科技1996年6月3.5其它方法激光分子束外延(LaserMBE);I,PMOCVD;Flash—MOCVD)PE—MOCVD等方法.在上述诸方法中,目前采用最多的铁电薄膜制备技术是激光淀积法,MOCVD法,s.Gel法和离子束辅助沉积4铁电薄膜的发展前景首先,从薄膜科学与技术考虑,作为特殊形态材料的薄膜,具有许多奇特的特性,已成为微电子,光电子,声电子,大规模集成电路,传感器,光学(特别是非线性光学)微机械等技术乩基础.并广泛渗透到当代科研的各个领域.其次,从材料方面考虑,铁电材料是一类重要的介电材料.一般说来,除具有铁电性外,还可能同时具有压电,介电,热电,非线性光学等特性.因此,两者相结合,即铁电材料薄膜化,由薄膜的结构因素和尺寸效应,会产生许多大块材料所不具备的新特性,新功能,或者材料的性质得到改善.例如,用蒸镀法制备BaTiOa薄膜,膜厚大于0.1m时,保持块状材料的性能}膜厚约为0.04pm时,显示出铁电开关特性;在0.023~m时,显示出介电异常;膜厚为0.o1m时,介电异常消失.又如,制备优质的I,iN—bO;光波导薄膜,其传输损耗系数可降低到0.5dB/cm以下,等等.材料性能的改善,或产生新特性,新功能,这些都为铁电材料的开发应用蕴藏着极大的潜力.今天的铁电薄膜就薄膜制备技术,薄膜材料.和所涉及的铁电薄膜理论基础三个方面,无论从广度和深度上都远非十年前所比.关于铁电薄膜的发展前景,概述近五年来”MRS国际会议论文上所报导的资料.其特点是:(1)成膜技术制备铁电薄膜,从工艺上讲,各种成膜方法都在探讨,并随着薄膜科学与技术的发展而不断改进.a)采用新的成膜方法居多.例如,较多用脉冲激光沉积,金属有机化学气相沉积等新技术制备PZT,PLZT,PL T,BaTiOs,PbTiOa,(Ba,Sr)平衡状态下不存在的物质,并可以在较低的温度下进行物质的台成.b)随着科学技术的发展,各种特殊用途的器件对铁电薄膜材料提出了各种各样的要求.薄膜厚度可从几十埃到几十微米;从膜的结构上讲,有多晶的,单晶的,非晶态的,超晶格的,按特定方向取向的,外延生长的等.上述两点表明+实际应用要求铁电薄膜材料多样化,且性能技术参数高.薄膜科学与技术的迅速发展为满足这些要求提供了保证.c)多种多样的铁电薄膜材料可在铁电存储器,红外探测器,传感器,光调制器,光开关,第17卷第2期盒穰卉:铁电薄膜及其应用声表面波器件非线性光波导器等诸多器件得到应用目前,在诸多应用中,发展最快,应用落实,指标明确的是铁电存储器.(3)薄膜科学目前,铁电薄膜技术和薄膜材料所涉及的基础理论也正在迅速发展中.铁电薄膜理论除涉及真空技术和材料科学之外,还涉及等离子体物理,离子溅射,表面科学,薄膜生长理论,半导体物理,电磁理论,电子光学,激光技术,离子束技术,大规模集成电路技术等十分广泛的学科领域.这里,值得注意的是巳形成了”集成铁电学”这一新兴的重要学科,显示出当前铁电薄膜理论水平和研究进展.总而言之,薄膜技术,薄膜材料,薄膜理论相结合推动了铁电薄膜产品的全方位开发和应用,铁电薄膜在微电子学,光电子学,声电子学,非线性光学领域内所起的作用也越来越大.并逐步向集成光学,微机械学等技术领域扩展,展示出良好的发展前景.参考文献1A.I.Kingon.E.R.Myers.B.Tuttle.FerroelectrieThinFilms.In:MRS1991F allMeetingSymposiumProceedings.1992,(1)i2432J.Kanicki,R.B.Devine.AmorphousInsulatingThinFilms,In:MRS1992F allMeetingSymposiumProceedings.1993.(1):2843S.B.Desu.D.B.BeachW.Wesse]s.Metal—OrganicChemicalV aporDepos itionofElec—tronieCeramics.In:MRS1993FailMeetingSymposiumProceedings.1994, 1:3354R.Ramesh,D,K.Fork,J.M.Phillpsets1.Epitaxia10xideThinFilmsandHet erostruc—lures?In:MRS1994SpringMeetingSymposiumProceedings,1994,1:341 5H.J.FrostP.A.Ross,M.A.Porkereta1.P0IycrystaIIineThinFilms:Structur e.Texture,propertiseandApplications.InMRS1995SpringMeetingSymposium Proceed—ings.1995,1:4036三井利夫等着.倪冠军等译.铁电物理学导论.北京:科学出版社,19837田民波等编译.薄膜科学与技术手册(上,下册).北京:机械工业出版社,19918闻立时.薄膜材料与薄膜技术.1994秋季中国材料研究套会议论文集(V o1.2,第一分册)北京化学工业出版社,1995。
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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。
总自由能取极小值的条件决定了电畴的稳构型。
二、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、了解铁薄膜材料的功能和应用前景。
三、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 。
电场在正负饱和值之间循环一周时，极化与电场的关系如曲线CBDFGHC 所示此曲线称为电滞回线。
图12.2-1 铁电体的电滞回线V图12.2-2 电滞回线的显示电滞回线可以用图12.22-2的装置显示出来（这就是著名的Sawyer-Tower 电路），以铁电晶体作介质的电容C x 上的电压V 是加在示波器的水平电极板上，与C x 串联一个恒定电容C y (即普通电容)，C y 上的电压V y 加在示波器的垂直电极板上，很容易证明V y 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V x 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 y 和P 的正比关系，y xxy x y C C C C V V ==ωω1112.2-1)式中ω为图中电源V 的角频率dS C x 0εε=ε为铁电体的介电常数,0ε 为真空的介电常数,S 为平板电容x C 的面积，d 为 平行平板间距离，代入（12.2-1）式得：E C S d V C S V C C V yx y x Y x y 00εεεε===(12.2-2) 根据电磁学E E E P χεεεεε000)1(=≈-= (12.2-3)对于铁电体>>ε1，固有后一近似等式，代入（12.2-2）式 ，P C SV yy =因S 与y C 都是常数，故Vy 与P 成正比。
四、测量仪简介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、信号调理电路部分组成。
图12-2-3 铁电性能测量仪结构框图2、实验内容测量铁电薄膜样品的电滞回线，画出电滞回线及得到铁电薄膜材料的饱和极化±Ps、剩余极化±Pr、矫顽场±Ec、电容量C等参数。
【实验步骤】1. 准备工作：首先开启计算机，阅读仪器说明书。
2. 初始化：在低电压（100V）下运行测量软件，开启测量仪，并检查探针位置是否正确。
3. 确定高压区间∆V ：调整高电压和低电压，观察能出现标准电滞回线的最大和最小的电压值，并记录为Vmax和Vmin，高压区间为∆V = Vmax − Vmin。
值得注意的是，软件中输入的高压值在本次试验的试验仪上通常达不到，因此需要输入比目标电压更高一些的电压值，电压值以实际高压为准。
备注：高压区间指的是保持标准电滞回线的最低和最高电压。
4. 测量电滞回线：在刚刚确定的那个电压范围内，选择五个电压值，间隔为∆V /5，分别测量在这五个电压值下的电滞回线，并且保留电滞回线测量数据。
5. 拷贝并带回电滞回线测量数据，以便于后续数据处理使用。
6. 实验结束后，先关闭测量仪，后关闭计算机。
7. 用电滞回线测量数据，计算相应的数据Pr、Ps、Ec。
实验结果及数据处理【实验得到的图片截图】电压500vPs 85.28(uc/cm2)Pr 69.28(uc/cm2)-pr -69.54(uc/cm2)+vc 193.37v-Vc -117.30v电压550vPs 86.43(uc/cm2) Pr 72.49(uc/cm2) -Pr -72.76(uc/cm2) +Vc 195.20v-Vc -120.8v电压600vPs 88.51(uc/cm2) +Pr 72.40(uc/cm2) -Pr -75.06(uc/cm2) +Vc 199.40v-Vc -126.00v电压650vPs 88.76(uc/cm2) Pr 74.82(uc/cm2) -Pr -77.76(uc/cm2) +Vc 202.8v-Vc -133.10v电压700vPs 90.65(uc/cm2) +Pr 74.96(uc/cm2) -Pr -77.24(uc/cm2) +Vc 202.9v-Vc -132.90v【数据绘制成的表格】Vmax 500 550 600 650 700 750 Ps(uc/cm2) 85.28 86.43 88.51 88.76 90.65 91.20 Pr(uc/cm2) 69.28 72.49 72.40 74.82 74.96 74.84 -Pr(cu/cm2)-68.54 -72.76 -75.09 -77.76 -77.24 -80.26 +Vc(V) 193.23 195.10 199.40 202.8 202.90 202.90-Vc(V) -117.30-120.8 -126.00 -133.10 -132.90 -132.70 电压750VPs 91.20(uc/cm2)+Pr74.82(uc/cm2)-Pr -80.26(uc/cm2)+Vc 202.90v-Vc -132.70v由图可看出饱和极化强度随着外加电场的增加而增加，根据实验中得到的数据，我们可以画出相应的电压Vy（正比于极化P）对于外加电压U（正比于电场E）的图，相应的作图如图3所示。
值得注意的是，我们作图的数据并不直接是极化相对于电场强度的关系，而是电压Vy(mV ) ∼U(V )的关系，它们与我们需要测试的量成正比关系，因此图形形态上一样。
下面我们对于实验数据进行处理，可以得到不同高压下的自发极化Ps(nC/cm2)随外加电压U(V )的变化关系、剩余极化Pr(nC/cm2)随外加电压U(V )的变化关系以及矫顽场Ec(V )随外加电压U(V )的变化关系。
我们将相应的关系作图画出，如图4所示。
值得注意的是由电压Vy到极化P的换算由具体的测试仪器参数决定，下图中作图所用到的极化值由测试软件算出。
实验结果讨论与分析在实验中，我们观察到如下一些显著的现象：1. 电滞回线总体上呈现出中心对称的形态，在一些细节处表现出不对称的特征。
例如在穿越负Vy轴处出现的跳变等。
2. 随着外加电压的增大，电滞回线形态上“由胖变瘦”，与坐标轴围成的面积变大。
3. 随着外加电场的增大，自发极化Ps、剩余极化Pr和矫顽场Ec总体上都增大，并且对于剩余极化Pr和矫顽场Ec而言，其正向比负向的绝对值要大。
对于上述的某些现象给出一些相应的分析：1. 我们得到的大体中心对称形态的电滞回线与我们预期的标准电滞回线形态上吻合，说明本次试验装置的设置大体正确。
2. 从理论上来说，电滞回线的产生是因为畴壁在外场作用下翻转是存在极化弛豫。
铁电体由于极化弛豫会产生极化损耗，该行为不可逆，会产生能量损耗，能量损耗的量度可以由P −E回线围成的面积计算得出。
通过量纲分析，P的量纲为C/m2，E的量纲为V /m，因此他们乘积A = P × E的量纲为J/m3，与能量成正比，其含义为损耗的能量。
因此我们可以得出结论，随着外加电压的增大，电场反转的损耗也增大。
另外，对于顺电体来说，极化强度与电场呈线性关系，因此没有极化损耗，表现为P −E曲线围成的面积为零，因此无法观察到回线。
3. 电滞回线的形态有以下三个因素共同作用形成：电畴反转过程提供的极化电荷Qs（这里的Q代表电荷，它是由等效电路分析方法中得到的）、线性感应极化过程提供的电荷Qi、漏电电导和感应极化损耗提供的电荷Qr。
其中Qs是我们感兴趣的、可以形成一个回线的部分，它是由于电畴反转引起的；Qr使得回线的饱和支、上升支和下降支发生倾斜；Qi 使得回线的饱和支畸变形成一个环状端。
4. 为了消除上述提到的Qr和Qi的不良影响，可以在基础的Sawyer-Tower电路的基础上，采取频率补偿法、电阻补偿法、移相补偿法、线性补偿法等方法以得到更为准确的电滞回线。