铁电薄膜铁电性能的表征二及相关使用设备

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。

3、推荐使用设备：FE-5000型铁电测试仪

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 。如果趋于饱和后电场减小，极化将循段曲线减小，以致当电场达到零时，晶体仍保留在宏观极化状态，线段表示的极化称为剩余极化。将线段外推到与极化轴相交于，则线段 为饱和自发极化。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。这一过程如曲线所示，所代表的电场是使极化等于零的电场，称为矫顽场。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所示此曲线称为电滞回线。

图1 铁电体的电滞回线

图2 测量电路图

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上的电压是加在示波器的水平电极板上，与串联一个恒定电容（即普通电容），上的电压加在示波器的垂直电极板上，很容易证明与铁电体的极化强度 P 成正比，因而示波器显示的图象，纵坐标反映的变化，而横坐标与加在铁电体上外电场强成正比，因而就可直接观测到的电滞回线。

下面证明和的正比关系，因

式中为图中电源的角频率；，为铁电体的介电常数，为真空的介电常数，为平板电容的面积，d为平行平板间距离，代入上式得：

根据电磁学

对于铁电体，，故有后一近似等式，代入上式 ，

因与 都是常数，故与成正比。

（2）居里点当温度高于某一临界温度时，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 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。当温度高于居里点时，介电常数随温度变化的关系为

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，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。

3、铁电存储应用

铁电记忆存储器是利用铁电体所具有的电滞回线性质。如图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，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（）而若是从负场变到零场，则此时剩余极化为负（）。正是利用这无外场时所有的两个稳定极化作为计算机编码0（）和1（），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。

1952年，贝尔实验室的J. R. Anderson首先提出了用铁电材料来制备存储器的思想，即利用铁电晶体的电学双稳态特性，用可反转的“上”、“下”两个方向的极化状态，来实现计算机存储器操作。但由于当时薄膜制备技术尚未发展，且早期的铁电存储器存在半选干扰问题，疲劳问题也非常显著，再加上要使用昂贵的铁电单晶材料，因此使得铁电存储器的设想在当时未能实现，直到90年代初随薄膜制备技术的发展才逐渐发展。目前已设计出的存储器有三种，即非易失性铁电随机读取存储器（FeRAM），铁电场效应管（FeFET）和铁电动态随机存储器（DRAM）。FeRAM的工作原理为：当铁电存储单元中的铁电薄膜处于（或）状态，相应的铁电存储单元的信息为1（或0），当一个脉冲作用于存储单元时，如果读脉冲和存储单元的极化相反，电畴将反转，此时通过电容器的位移电流为反转电流。当脉冲方向与存储单元的极化相同时，无极化反转发生，此时铁电薄膜只表现为线性的电容特征，位移电流为小电流。因此比较两个电流就知道存储状态是1还是。。目前具体的FeRAM实现方式有两种，分别是（即一个场效应管和一个电容）和方式。前者占用空间比较小，有利于提高集成度，但是对大面积薄膜的均匀性要求较高。相反后者占用空间较大，不适合高密度存储，但对膜的均匀性要求不高。

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，永久极化，矫玩场等，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，铁电疲劳性能（永久极化与开关次数- n）及铁电保持性能（永久极化与时间关系- t ）。通常要求永久极化，矫玩场。好的疲劳特性，在铁电翻转次时，永久极化很少变化。在10⁵秒内可较好的保持电荷，漏电流小于。

4、铁电薄膜的制备

用于铁电存储性能研究的铁电电容是淀积在衬底上的铁电薄膜(如，等)，为底电极。然后用孔状掩膜在铁电薄膜的上表面用磁控溅射法制作上电极，用于性能测量。

铁电薄膜的制备方法多种多样，常见的大致可以分为两类，一类属于物理气相沉积（）方法，常见的有溅射法、脉冲激光沉积法、激光分子束外延等。另一类属于化学气相沉积法（），常见的有金属有机源气相沉积（）和原子层化学气相沉积（）。此外，还有热蒸发法，湿氧化法等其他制备方法。下面简要介绍几种常见的制备方法。

（1）溅射法：常见的有磁控溅射和离子束溅射。其优点是制备薄膜的成本较低，可以制备供工业应用的大面积薄膜。薄膜的制备不仅可以使用陶瓷靶材，也可在氧气氛围中使用金属或合金靶材进行反应溅射。这种制备方法的缺点是，如果各组元的挥发性差别很大，溅射生长的薄膜成分和靶材成分将会有较大偏差，而且其偏差大小与工艺制备条件有关。

（2）脉冲激光沉积法：方法是20世纪80年代迅猛发展起来的制备薄膜技术。它利用经过聚焦而具有很高能流密度的紫外脉冲激光束瞬间融溶靶材，产生高压高能的等离子体，最终在衬底上沉积成膜。此方法的最大优点是沉积的薄膜与靶材的成分很接近，因而可以通过调控靶材的成分来严格控制薄膜成分。由于光源为能量较高的紫外脉冲激光束，所以能制备高熔点、多组分的氧化物薄膜和异质结构。其主要的缺点是不能制备大面积厚度均匀的薄膜。

FE-5000型宽量程铁电性能测试仪

关键词:电滞回线 ,铁电测试仪，电压，频率 ，电致应变

一、产品介绍：

  FE-5000型宽量程铁电性能测试仪是一款高量程款的铁电性能材料测试装置，这款设备可以适用于铁电薄膜、铁电体材料（既可块体材料）的电性能测量，可测量铁电薄膜电滞回线、可测出具有非对称电滞回线铁电薄膜值。而且可以测量电致应变参数。

二、主要技术指标：

1.输出信号电压：：0±3000V，±5000V，±10000V多种可选。

2.输出信号频率：0.2到100Hz（陶瓷、单晶），1到1kHz(薄膜）

3.电容范围：电流0到±6mA（陶瓷、单晶），±50mA(薄膜）连续可调,精度: ≤1%。

4.电流范围: 1nA～10A ,精度: ≤1%。

5. 匹配高温电致应变测试模块、夹具及自动采集软件。（可选）

6.测试速度：测量时间《5秒/样品?温度点

8. 样品规格：块体材料尺寸：直径2-100mm，厚度0.1-10mm，薄膜：直径：1-60mm

9. 数据采集分析软件： 能画出铁电薄膜的电滞回线，定量得到铁电薄膜材料的饱和极化Ps、剩余极化Pr、矫顽场Ec、漏电流等参数;可以进行铁电薄膜材料的铁电疲劳性能、铁电保持性能的测试，电阻测量，漏电流测量。

10、控制方式：计算机实时控制、实时显示、实时数据计算、分析与存储

11、软件采集：自动采集软件，分析可以兼容其他相关主流软件。