168开奖直播:鐵電性實驗報告 - 南京大學

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鐵電薄膜鐵電性能表征

131120161 李曉曦

一、引言

鐵電體是這樣一類晶體:在一定溫度范圍內存在自發極化,自發極化具有兩個或多個可能的取向,其取向可能隨電場而轉向.鐵電體并不含“鐵”,只是它與鐵磁體具有磁滯回線相類似,具有電滯回線,因而稱為鐵電體。在某一溫度以上,它為順電相,無鐵電性,其介電常數服從居里-外斯(Curit-Weiss)定律。鐵電相與順電相之間的轉變通常稱為鐵電相變,該溫度稱為居里溫度或居里點Tc。鐵電體即使在沒有外界電場作用下,內部也會出現極化,這種極化稱為自發極化。自發極化的出現是與這一類材料的晶體結構有關的。

鐵電體特點是自發極化強度可因電場作用而反向,因而極化強度和電場E 之間形成電滯回線。自發極化可用矢量來描述,自發極化出現在晶體中造成一個特殊的方向。晶體中每個晶胞中原子的構型使正負電荷重心沿這個特殊方向發生位移,使電荷正負中心不重合,形成電偶極矩。整個晶體在該方向上呈現極性,一端為正,一端為負。在其正負端分別有一層正和負的束縛電荷。束縛電荷產生的電場在晶體內部與極化反向( 稱為退極化?。?,使靜電能升高。鐵電現象第一次發現是在1920年,由瓦拉賽爾發現外場可以使羅西鹽的極化方向反轉,但是鐵電現象直到40年代初才得以被廣泛研究。如今鐵電現象因為其獨特性質得到了廣泛的應用,而本實驗就是為了初步探究本現象的物理性質。本實驗測量了鐵電材料的電滯回線,并且改變電壓測量了不同電壓下的圖像和矯頑力等數值。作者又進一步對此現象進行了初步探究,研究了其相關機理。

二、實驗目的

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、了解非揮發鐵電隨機讀取存儲器的工作原理及性能表征。

三、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,但電場較強時,極化與電場之間呈非線性關系。在電場作用下新疇成核長,疇壁移動,導致極化轉向,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。當電場達到相應于B點值時,晶體成為單疇,極化趨于飽和。電場進一步增強時,由于感應極化的增加,總極化仍然有所增大(BC)段 。如果趨于飽和后電場減小,極化將循 CBD段曲線減小,以致當電場達到零時,晶體仍保留在宏觀極化狀態,線段OD表示的極化稱為剩余極化Pr。將線段CB外推到與極化軸相交于E,則線段OE 為飽和自發極化Ps。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DFG所示,OF所代表的電場是使極化等于零的電場,稱為矯頑場Ec。電場在正負飽和度之間循環一周時,極化與電場的關系如曲線CBDFGHC所示此曲線稱為電滯回線。

圖1 鐵電體的電滯回線

圖2 電滯回線的顯示

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),以電晶體作介質的電容Cx上的電壓V是加在示波器的水平電極板上,與Cx串聯一個恒定電容Cy(即普通電容),Cy上的電壓Vy加在示波器的垂直電極板上,很容易證明Vy與鐵電體的極化強度P成正比,因而示波器顯示的圖象,縱坐標反映P的變化,而橫坐標Vx與加在鐵電體上外電場強成正比,因而就可直接觀測到P-E的電滯回線。

下面證明Vy和P的正比關系,因

afd9cf46f262f6600fc88c0387b9df2a.png (1)

式中d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e.png45bf03a575f6e81359314e906fb2bff3.png為圖中電源V的角頻率 d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e.png

0386d1952f6255bd75bcc98797f25cfd.png

a06c34952043eb8035c521bac955bdcc.png為鐵電體的介電常數,5045fa00e77222d44e0392c22c4505ae.png 為真空的介電常數,S為平板電容03ff9b53a2ed1c615dc254958cfdb808.png 的面積,8277e0910d750195b448797616e091ad.png為 平行平板間距離,代入(1)式得:

5cee41aae08a13ff4ea8cbc636b731d6.png (2)

根據電磁學

db2b6fd7d01cae53bb4f1ab8163524a0.png (3)

對于鐵電體4af45a8afd3ae980740cc0cb1dd1e5a8.png1,固有后一近似等式,代入(2)式 ,

bccc1ea09cc4b8b4de620a03a183ccb2.png

因5dbc98dcc983a70728bd082d1a47546e.png與7e0d0cee5914ec5a150cbb6aaf0f7799.png都是常數,故9fc401993033753787d9341db3738565.png與44c29edb103a2872f519ad0c9a0fdaaa.png成正比。

(2)居里點Tc

當溫度高于某一臨界溫度Tc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總是伴隨著晶格結構的轉變,所以是個相變過程,已發現鐵電體存在兩種相變:一級相變伴隨著潛熱的產生,二級相變呈現比熱的突變,而無潛熱發生,又鐵電相中自發極化總是和電致形變聯系在一起,所以鐵電相的晶格結構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,最高 的一個相變溫度稱為居里點,其它則稱為轉變溫度。

(3)居里-外斯定律

由于極化的非線性,鐵電體的介電常數不是常數,而是依賴于外加電場的,一般以OA曲線(圖1)在原點的斜率代表介電常數,即在測量介電常數 時,所加外電場很小,鐵電體在轉變溫度附近時,介電常數具有很大的數值,數量級達f4b06d89c63cec41c4f31f0aff215ae4.png。當溫度高于居里點時,介電常數隨溫度變化的關系

346565deea4830cbc246378a5ddc7b5b.png (5)

2、鐵電體和鐵電存儲的應用

鐵電體具有介電、壓電、熱釋電、鐵電性質以及與之相關的電致伸縮性質、非線性光學性質、電光性質、聲光性質、光折變性質、鐵電記憶存儲性能等等,都與其電極化性質相關,特別是電介質的熱釋電與鐵電性質都與其自發極化相關。由于鐵電體具有上述性質,因而在諸多高技術中有著很重要的應用。利用其壓電性能可制作電聲換能器,用于超聲波探測,聲納,穩頻振諧器,聲表面波器件等;利用其熱釋電性質可制作紅外探測器,紅外監視器,熱成像系統等;利用非線性光學效應可制作激光倍頻、三倍頻、和頻、差頻器;利用電光性質可制作激光電光開關、光偏轉器、光調制器等;利用聲光效應可制作激光聲光開關、聲光偏轉器、聲光調制器等;利用光折變效應可制作光存儲器件;而鐵電材料的鐵電性可制作鐵電記憶存儲器。

鐵電記憶存儲器(Ferroelectric Memory)是利用鐵電體所具有的電滯回線性質。如圖12.2-1所示,當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度Pr(或-Pr),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,則當外場變為零場時,鐵電體上為正的剩余極化(+Pr)而若是從負場變到零場,則此時剩余極化為負(-Pr)。正是利用這無外場時所有的兩個穩定極化dc9505c7e13e00185dcfcdc9e311fbfc.pngPr作為計算機編碼0(Pr)和1(Pr),這就是鐵電記憶及邏輯電路的基礎。

鐵電記憶存儲是鐵電體極少數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)的應用。在非揮發性鐵電存儲器應用中,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?剎臉婊歡鏈媧⑵韉?0%),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、游戲機、電視頻道存儲記憶器、復印機、收費站刷卡等等方面,隨大存儲量的產品出現將在數碼相機、隨身聽中使用,市場前景看好。

鐵電材料的鐵電性能最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Ps,永久極化Pr,矯玩場Ec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288ad3973173982f646ce3813092aec9.png,鐵電疲勞性能(永久極化與開關次數e0f6bb85eee26c54c073e2a2873e414a.png)及鐵電保持性能(永久極化與時間關系885f13262d7763b779fd790da740aa7a.png)。通常要求永久極化7fbfacedf9c7cd4ac326908672cc5c3c.pngff26824c79c68dd6bf7833df508dbec1.pnge5b04d89cb381ee420a0bcd4ed1d35dd.png,低矯玩場142130ef02dc6550185a29c4bd0ec57c.png。好的疲勞特性,在鐵電翻轉ad21fdeb1f673b4bc277ad36506384f2.png次時,永久極化很少變化。在2d3b07f4be78707110251174655f1734.png秒內可較好的保持電荷,漏電流小于2751a482f68d9f24a045cc56769ae618.png。

四、實驗數據測量及分析

1、運行應用軟件,進入軟件主界面,打開主菜單的測量部分選擇“電滯回線測量”選項,輸入“樣品名稱”、“樣品面積”、“樣品厚度”、“輸出電壓幅度”、“測試周期點數”、“電滯回線周期”等參數。

2、按“確定”鍵后,軟件彈出對話框“請輸入需保存的實驗數據的文件名”,用戶輸入以***.loop的文件名后按“OK”鍵繼續,回到軟件主界面,按“開始測量”按鍵,系統自動進行電滯回線測量

圖像

調節軟件中的最大電壓分別為1000V,1150V,1300V,1450V,1600V,然后用輸出數據在matlab中畫出圖像,

將5條回線畫在同一張圖上有:

對v=0附近數據擬合,得

剩余極化率Pr=-65.65

同理,對其他圖形做相似處理,可得

Vmax

1000

1150

1300

1450

1600

Ps

80.85

83.43

85.86

87.85

90.69

Pr+

65.14

68.42

70.49

72.42

74.83

Pr-

-65.65

-67.95

-69.56

-70.67

-73.95

Ec+

193.20

197.30

206.30

205.20

212.00

Ec-

-109.40

-110.70

-117.30

-125.30

-131.20

利用Pr=(Pr+ - Pr-)/2和Ec=(Ec+ - Ec-)/2,可得:

Vmax

1000

1150

1300

1450

1600

Ps

80.85

83.43

85.86

87.85

90.69

Pr

65.40

68.19

70.03

71.55

74.39

Ec

151.30

154.00

161.80

165.25

171.60

為了清楚看出Ps(B),Pr(C),Ec(D)隨Vmax的變化關系,再做圖:

分析:

1、Ps,Pr,Ec隨Vmax增大而增大,實驗數據所給出的結果與事實符合。因為所加電壓的增大,樣品內磁矩受到場的影響有序排列的程度就越高,這樣,極化強度就隨之增大。同樣,使樣品退磁化的矯頑場也隨之增大。

2、Ps在800V是出現一個極小值,猜測是由于數據測量精度的問題。因為在讀取數據時,由于單位坐標較大,讀數的誤差也很大。

3、Pr+與Pr-并不相同,同時Ec+與Ec-也不相同。這是因為樣品并不完全對稱的,經過電壓變化的一個周期,樣品由于內部響應的問題和本身性質的問題,不可能出現完全對稱的標準電滯回線。

4、極化強度的變化并沒有矯頑場的變化明顯,所以在研究物質的電、磁性質的時候,應該選擇Ec作為參考量。

5、實驗發現Ec+始終大于Ec-,在查閱資料后發現,這是由于交換偏置現象[2]。通常情況下,鐵磁薄膜的磁滯回線以原點為對稱中心,若體系中引入反鐵磁層,當溫度降到一定時,體系的磁滯回線將產生一個偏移量,其矯頑力Hc相應增大,此即交換偏置效應,如圖11所示。猜想對電滯回線,也有同樣的效應。

圖11

五、思考題與討論

1.試比較鐵電體與鐵磁體的同異。

相同之處:

1)電滯回線與磁滯回線相對應,電疇與磁疇有很大類似性。都可以用來做記憶材料。

2)順電-鐵電相變對應順磁-鐵磁相變,它們都有居里溫度的概念,并在順電(順磁)的情況下滿足居里-外斯定理.

不同之處:

1)鐵電疇壁的厚度很薄。大約是幾個晶格常數的量級,但鐵磁疇壁則很厚,可達到幾百個晶格常數的量級(例如對Fe,磁疇壁厚約1000a ),而且在磁疇壁中自發磁化方向可逐步改變方向,而鐵電體則不可能。

2)鐵電體在外電場作用下,自發極化的方向也只能在某幾個方向中變化。但是鐵磁體在足夠強的外磁場作用下能夠完全轉到外場方向,而不論外場相對于晶軸的角度如何

2.什么是鐵電體?試舉例說明你所知道的應用。

答:鐵電體的特征是必須具有自發極化,并且自發極化可以跟隨外場反向。鐵電體的重要參數就是:電滯回線、居里溫度、介電反常、并且滿足居里-外斯定律。

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