1、铁电性能综合测试铁 电 薄 膜 的 铁 电 性 能测量 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
2、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。晶体红，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位移，使电荷正负中心不
3、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定性。参考资料1钟维烈，铁电物理学，科学出版社，1996。2干福熹，信息材料，天津大学出版社，20003J.F.Scoot,Ferroelectric Memories,Spr
4、inger,2000。实验目的一、 了解什么是铁电体，什么是电滞回线及其测量原理和方法。二、 了解铁薄膜材料的功能和应用前景。实验原理一、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，
5、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。电场在正负饱和度之间循环一周时，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），以电晶体作介质的电容Cx上的电压V是加在示波器的水平电极板上，与C
6、x串联一个恒定电容Cy(即普通电容)，Cy上的电压Vy加在示波器的垂直电极板上，很容易证明Vy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Vx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Vy和P的正比关系，因 (12.2-1) 式中为图中电源V的角频率 为铁电体的介电常数, 为真空的介电常数,S为平板电容的面积，为 平行平板间距离，代入（12.2-1）式得： (12.2-2)根据电磁学 (12.2-3)对于铁电体1，固有后一近似等式，代入（12.2-2）式 ， 因与都是常数，故与成正比。 2 里点Tc当温度高于某一临界温度Tc时
7、,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 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OA曲线（图12.2-1）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
8、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 （12.2-5）二、 铁电体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，稳频振谐器，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
9、、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。铁电记忆存储器（Ferroelectric Memory）是利用铁电体所具有的电滞回线性质。如图12.2-1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Pr(或-Pr),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（+Pr）而若是从负场变到零场，则此时剩余极化为负（-Pr）。正是利用这无外场时所有的两个稳定极化Pr作为计算机编码0（Pr）和1（Pr），这就是铁电记忆及逻辑电路
10、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。铁电
11、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Ps,永久极化Pr，矫玩场Ec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）及铁电保持性能（永久极化与时间关系）。通常要求永久极化，低矫玩场。好的疲劳特性，在铁电翻转次时，永久极化很少变化。在秒内可较好的保持电荷，漏电流小于。三、 铁电体的制备（2）铁电薄膜的制备方法目前制备铁电薄膜的方法主要有：Sol-Gel凝胶法、MOCVD法、PLD法和溅射法。在这些制备方法中，每一种都有自身的特点。Sol-Gel凝胶法 Sol-Gel凝胶法是将金属的醇盐或其他有机盐溶解于同一溶剂中，经过
12、水解、聚合反应形成溶胶。通过甩胶在基片上形成薄膜，经过干燥和退火处理，形成铁电薄膜。此方法能够精确控制膜的化学计量比和掺杂，易于制备大面积的薄膜，适于大批量生产，设备简单，成本低，可与微电子工艺技术相兼容。但这种方法易有不足之处，如膜的致密性较差，干燥处理过程中薄膜一出现龟裂现象，薄膜结构和生长速率对基片和电极材料很敏感。迄今为止，利用该方法已制备出PT、PZT、PLZT、BT、ST、BST等多种铁电薄膜。MOCVD法 MOCVD法是将反应气体和气化的金属有机物前体溶液通过反应室，经过热分解沉积在加热的衬底上形成薄膜。此法的主要优点是薄膜生长速率快，可制备大面积薄膜，能精确控制薄膜的化学组分和
13、厚度。但这种方法受制于金属有机源（MO）的合成技术，难以找到合适的金属有机源，仅能用于少数几中薄膜的制备。采用此方法已制备出PT、PZT、PLZT、BT及LN等铁电薄膜。PLD法 PLD法是20世纪80年代发展起来的一种新型薄膜沉积技术。它利用高功率的准分子脉冲激光照射到一定组分比的靶材上，使靶表面的数十米厚的物质转变为羽辉状等离子体，沉积到衬底上形成薄膜。这种方法的主要优点是：能源无污染；薄膜成分与靶材完全一致，因而可严格控制；衬底温度较低，可获得外延单晶膜；成膜速率快。但这种方法难以制备大面积均匀性好的薄膜。目前利用PLD方法已制备了PT、PZT、BTO、及KTN等铁电薄膜。溅射法 溅射法
14、包括直流溅射、射频磁控溅射和离子束溅射。溅射法的主要优点是工艺比较成熟，沉积温度较低，可获得外延膜。但这种沉积膜速率较慢，组分和结构的均匀性比较难于控制。 四、 实验仪器TD-88A型铁电性能综合测试系统配件清单：序号名称规格型号数量备注1台式微机12专用高速采集控制卡13铁电性能综合测试仪TD-88A型14专用软件TD-88A15专用测试平台16专用三维微米级测试架27专用测试探针28专用测试电缆12连接样品用9专用测试电缆22连接匹配电容用10专用通讯电缆2连接测试仪和微机五、 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
15、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、一片带A/D、D/A及开关量控制输出功能的计算机接口卡和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、测量电路目前，测量电滞回线的方法较多。其中测试方法简单、应用最广泛的是Sawyer-Tower电路23，如图12-2-4所示，其中虚框部分为铁电薄膜样品的等效电路，Cxi为线性感应等效电容， Rx为铁电薄膜样品的漏电导及损耗等效电阻，Cxs为与自发极化反转对应的非线性等效电容。在理想情况下，若只考虑Cxs的作用（认为Cxi与Rx开路），很容易证
16、明Uy与铁电薄膜样品的极化强度P成正比2。但一般情况下，铁电薄膜样品同时具有漏电导和线性感应电容，如果要获得铁电薄膜样品的本征电滞回线，必须在测量过程中对样品的漏电导和线性感应电容进行合适的补偿，但这在实际测量中是较难处理的。另外，此电路中外接积分电容Co的选取和精度会影响测试的精确度，当然给铁电薄膜样品提供的信号源U的频率对测试结果也有很大的影响，这样就较难对测试结果进行标定和校准。图12-2-4 Sawyer-Tower电路（虚框中为铁电薄膜样品等效电路）图12-2-5 电滞回线测量电路（虚框中为铁电薄膜样品等效电路） 我们选用如图12-2-5所示的测量电路，此电路由信号源U、被测样品、电
17、流放大器和积分器组成。信号源U提供给被测样品的电流经电流放大器放大再经积分器积分后得到Uy进入测量系统。即使被测样品端加的电压U为零，积分器上仍然维持电压，被测样品端是虚地的，因此此测试电路可称为虚地模式。此电路取消了外接电容Co，可减小寄生元件的影响。此电路的测试精度仅取决于积分器积分电容C1的精度，减少了对测试的影响环节，比较容易定标和校准，并且能实现较高的测量准确度。实验内容1） 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。2） 铁电疲劳性能测量。 铁电疲劳性能是铁电薄膜材料的永久极化与开关次数关系Prn。测试过程中
18、随着开关次数增加Pr逐渐减小，当Pr小到一定值时Pr将不能分开，既1、0不能分开，此时既失去记忆性能，称为疲劳，它是与铁电存储器密切相关的一个参数。3） 铁电保持性能测试。铁电保持性能是铁电薄膜材料的永久极化与时间关系Prt，它是铁电存储器使用可靠性的一个参数。 图12-2-6 各脉冲极化和电滞回线的对应关系注意事项1） 必须先连接好测试线路并确认无误（注意千万不要将信号源短路）后再打开测试仪电源。2） 当使用高电压信号源时，注意安全，测试操作时不能接触测试架。测试完成后先关闭测试仪电源。预习思考题1） 铁电体的电滞回线和温度有无关系，为什么？2） 试画出铁电薄膜样品的等效电路并分析其各个部分
19、对铁电薄膜样品性能的影响。3） 用Sawyer-Tower电路测量电滞回线有何缺点？试改进之。实验问答题1） 信号源的频率对测试结果有无影响？2） 为什么测量电滞回线时在样品上施加的电场波形为两个连续的三角波？3） 测量过程中引线分布电容对测量结果有无影响？如何消除此影响？4） 试设计一种测量铁电薄膜样品漏电流的方法。（朱劲松）铁电性能综合测试仪操作说明一、系统简介本测试系统用于铁电体的铁电性能测量，可用于铁电体的科学研究及近代物理实验中的固体物理实验以及工业化生产铁电存储器的铁电性能检测中。本测试系统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
20、、微机接口部分、微机和应用软件等部分组成。本测试系统采用虚地模式测量电路，与传统的Sawyer-Tower模式相比，此电路取消了外接电容，可减小寄生元件的影响。此电路的测试精度仅取决于积分器积分电容的精度，减少了对测试的影响环节，比较容易定标和校准，并且能实现较高的测量准确度。它不仅能画出铁电薄膜的电滞回线，还可以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Ik等参数，以及对铁电薄膜材料的铁电疲劳性能、铁电保持性能的测试。能够较全面准确地测量铁电薄膜的铁电性能。仪器采用一体化设计，实现测试结果全数字化，操作简单方便。二、系统安装1、测试仪面板介绍图1：测试仪前面板图2：
21、测试仪后面板三、软件操作说明1、主菜单介绍1） 文件1打开电滞回线文件 2打开疲劳测试文件 3打开保持测试文件 4打印机设置 5打印 6退出2） 测量1 电滞回线测量2 疲劳测试3 保持测试3） 矫准1电容容量矫正2电阻阻值矫正4） 帮助1关于TD-88A型FETESTER2南京大学应用物理研究所2、测试步骤1） 电滞回线测量 1运行应用软件，进入软件主界面，打开主菜单的测量部分选择“电滞回线测量”选项，输入“样品名称”、“样品面积”、“样品厚度”、“输出电压幅度”、“测试周期点数”、“电滞回线周期”等参数。 2按“确定”键后，软件弹出对话框“请输入需保存的实验数据的文件名”，用户输入以*.l
22、oop的文件名后按“OK”键继续，回到软件主界面，按“开始测量”按键，系统自动进行电滞回线测量和脉冲参数测量（测量时请注意主界面下侧提示条的信息），以上两项参数测量完成后系统弹出信息框“是否进行漏电流测量”，按“Yes”则进行漏电流及电阻阻值测量,按“No”即完成测量。2） 疲劳测试1运行应用软件，进入软件主界面，打开主菜单的测量部分选择“电滞回线测量”选项，输入“样品名称”、“样品面积”、“样品厚度”、“输出电压幅度”、“测试周期”、“脉冲测试宽度”、“测试点数”等参数。 2按“确定”键后，软件弹出对话框“请输入需保存的实验数据的文件名”，用户输入以*.pl的文件名后按“OK”键继续，回到软
23、件主界面，按“开始测量”按键，系统自动进行疲劳测试（测量时请注意主界面下侧提示条的信息）。3）保持测试1运行应用软件，进入软件主界面，打开主菜单的测量部分选择“电滞回线测量”选项，输入“样品名称”、“样品面积”、“样品厚度”、“测试周期数”、“保持过程中直流电平”、“读写电压幅度”、“写宽度”、“读宽度”等参数。 2按“确定”键后，软件弹出对话框“请输入需保存的实验数据的文件名”，用户输入以*.bch的文件名后按“OK”键继续，回到软件主界面，按“开始测量”按键，系统自动进行保持测试（测量时请注意主界面下侧提示条的信息）。3、参数矫准1）电容容量矫正1将标准电容作被测样品连接到测试系统。2运行
24、应用软件，进入软件主界面，打开主菜单的“矫准”菜单选择“电容容量矫正”，系统弹出对话框问“是否进行容量矫正”，按“Yes”继续，系统弹出对话框问“请输入标准电容容量”，输入标准电容容量后按“Ok”回到主界面。3在主界面选择测量部分“电滞回线测量”选项，输入“样品名称”、“样品面积”、“样品厚度”、“输出电压幅度”、“测试周期点数”、“电滞回线周期”等参数。4按“确定”键后，软件弹出对话框“请输入需保存的实验数据的文件名”，用户输入以*.loop的文件名后按“OK”键继续，回到软件主界面，按“开始测量”按键，系统自动进行电滞回线测量和脉冲参数测量（测量时请注意主界面下侧提示条的信息），以上两项参
25、数测量完成后系统弹出信息框“是否进行漏电流测量”，按“No”即完成校准。 2)电阻阻值矫正1将标准电阻作被测样品连接到测试系统。2运行应用软件，进入软件主界面，打开主菜单的“矫准”菜单选择“电阻阻值矫正”，系统弹出对话框问“是否进行电阻矫正”，按“Yes”继续，系统弹出对话框问“请输入标准电阻阻值”，输入标准电阻阻值后按“Ok”回到主界面。3在主界面选择测量部分“电滞回线测量”选项，输入“样品名称”、“样品面积”、“样品厚度”、“输出电压幅度”、“测试周期点数”、“电滞回线周期”等参数。4按“确定”键后，软件弹出对话框“请输入需保存的实验数据的文件名”，用户输入以*.loop的文件名后按“OK
26、”键继续，回到软件主界面，按“开始测量”按键，系统自动进行电滞回线测量和脉冲参数测量（测量时请注意主界面下侧提示条的信息），以上两项参数测量完成后系统弹出信息框“是否进行漏电流测量”，按“Yes”则进行漏电流及电阻阻值测量,完成测量即完成校准。附录：铁电性能综合测试仪软件中设及的参数说明一、参数说明序号名称注释备注1Ps（自发极化）上图中oE段2Pr（剩余极化）上图中oD段3Ec（矫顽场）上图中oF段序号名称注释备注1+P*+Ps-(-Pr)见上图2+P*r+Pr-(-Pr)见上图3+Pr上图脉冲测量时有两个（因为脉冲测量时在E=0时有延时，在延时开始和结束时各测一次）见上图4+P+Ps-(+
27、Pr)见上图5+Pr+Pr-(+Pr)见上图6-P*-Ps-(+Pr)见上图7-P*r-Pr-(+Pr)见上图8-Pr上图脉冲测量时有两个（因为脉冲测量时在E=0时有延时，在延时开始和结束时各测一次）见上图9-P-Ps-(-Pr)见上图10-Pr-Pr-(-Pr)见上图三、 电滞回线测量中的参数说明序号名称注释备注1样品名称被测样品名称用户输入或默认2样品面积被测样品点的面积（以平方厘米为单位）用户输入或默认3样品厚度被测样品点的厚度（以微米为单位）用户输入或默认4测试模式虚地或Sawyer-Tower（用虚地模式）用户选择或默认5匹配电容以nF为单位用户输入或默认6输出电压幅度以伏特为单位（
28、指输出波形中的最大）用户输入或默认7测试周期点数一个回线周期内的测试点数用户输入或默认8电滞回线周期用户输入或默认9其他设定参数无意义用户输入或默认10+Vc矫顽场11-Vc矫顽场12C(nf)C=Q/V=P*/Vmax被测样品电容容量13KefKef=(C*样品厚度)/(0*样品面积)14I样品漏电流，以uA为单位15R样品电阻阻值，以M为单位16Ry样品电阻率四、 疲劳测量中的参数说明序号名称注释备注1样品名称被测样品名称用户输入或默认2样品面积被测样品点的面积（以平方厘米为单位）用户输入或默认3样品厚度被测样品点的厚度（以微米为单位）用户输入或默认4测试模式虚地或Sawyer-Tower
29、（用虚地模式）用户选择或默认5匹配电容以nF为单位用户输入或默认6输出电压幅度以伏特为单位（指输出波形中的最大）用户输入或默认7测试点数整个疲劳测试测量的点数（最大16个）用户输入或默认8脉冲测试宽度以微秒为单位，指疲劳测量脉冲周期宽度用户输入或默认9测试波形模式有Alternating和Single side两种，一般选Alternating（即用正负组合的脉冲周期来测试）10其他设定参数无意义用户输入或默认11X轴上方红线+P*-(+P)12X轴上方绿线+P*r-(+Pr)13X轴上方红线-P*-(-P)14X轴上方绿线-P*r-(-Pr)五、 保持测量中的参数说明序号名称注释备注1样品名称被测样品名称用户输入或默认2样品面积被测样品点的面积（以平方厘米为单位）用户输入或默认3样品厚度被测样品点的厚度（以微米为单位）用户输入或默认4测试模式虚地或Sawyer-Tower（用虚地模式）用户选择或默认5匹配电容以nF为单位用户输入或默认6输出电压幅度以伏特为单位（指输出波形中的最大）用户输入或默认7测试点数整个保持测试测量的点数（最大16个）用户输入或默认8写宽度以
