南京大学物理系实验报告铁电性.docx

南京大学物理系实验报告题目实验电性姓名董佳婧学号141120021一、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。铁电体特点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。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 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。铁电现象第 一次发现是在1920年，由瓦拉赛尔发现外场可以使罗西盐的极化方向反转，但 是铁电现象直到40年代初才得以被广泛研究。如今铁电现象因为其独特性质得 到了广泛的应用，而本实验就是为了初步探究本现象的物理性质。本实验测量了 铁电材料的电滞回线，并且改变电压测量了不同电压下的图像和矫顽力等数值。 作者又进一步对此现象进行了初步探究，研究了其相关机理。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、了解非挥发铁电随机读取存储器的工作原理及性能表征。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。示波器图1铁电体的电滞回线图2电滞回线的显示电滞回线可以用图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C上的电压V是加在示波器的水平电极板上，与C串联 一个恒定电容C （即普通电容），C上的电压V加在示波器的垂直电极板上，很 容易证明V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。 X下面证明V和P的正比关系，因V Cy = yV 1尤C尤/式中O为图中电源V的角频率C =88 Sd8为铁电体的介电常数,8 0为真空的介电常数,S为平板电容C的面积，为平 行平板间距离，代入（1）式得：V = CV y C xY根据电磁学P = 80（8 - 1）E n 808E = 8/（3）对于铁电体8 » 1，固有后一近似等式，代入（2）式，匕=¥y因S与C y都是常数，故Vy与P成正比。（2）居里点Tc当温度高于某一临界温度Tc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OA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104105。当温度高于居里点时，介电常数随温度变化的关系8 =+ 8（5）02、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，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、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 稳定极化土 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 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Ik，铁电疲劳性能（永久极化与开关次数Pr ）及铁电保 持性能（永久极化与时间关系Pr t）。通常要求永久极化Pr > 10C/ cm2，低矫 玩场Ec < 100kV /cm。好的疲劳特性，在铁电翻转1010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10 -7 A / cm2。3、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专用高速米集 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（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、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。（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，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），很容易证明 Uy与铁电薄膜样品的极化强度P成正比。但一般情况下，铁电薄膜样品具有计算机部分A/D,D/A 卡图3铁电性能测量仪结构框图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4 Sawyer-Tower电路（虚框中为铁电薄膜样品等效电路）图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5所示的测量电路，此电路由信号源U、被测样品、电流放大 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。4、实验注意事项（1）必须先连接好测试线路并确认无误后再打开测试仪电源。在测量前先 测电脑背景信号。（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。四、实验数据测量及分析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V “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*.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。图像调节软件中的最大电压分别为1200v、1225v、1250v、1275v、1300v、1325v、 1350v、1375v、1400v、1425v、1450v、1475v、1500v、1525v、1550v 然后用输出数据在mathematica中画出图像表1电压UPs|Pr-|Pr+Ec+|Ec-|120087.2972.8869.88199.1109.4122587.3271.8770.75197.5115.7125088.5573.6171.87194.5107.2127588.7875.1572.7203.4114.9130091.8875.1376.7203.1110.8132592.2174.7975.29202.8115.5135093.4676.5176.67199115.5137595.1975.7477.28198.4115.6140097.6377.1980.83205117.4142596.847781.22198.4116145098.6277.1781.71206.8119.6147599.0478.7183.14209.2118.71500100.2179.0183.25210.2129152599.2378.5281.33209.5117.4155098.5579.280.25209.9121.2为了清楚看出Ps, Pr, Ec随Vmax的变化关系,作图:TitlePs8& 二11,150 1,200 1胃50 1,300 1,350 1,400 1.450 L5O0 1 由 50 1,颇 X Axis Title建仁|-岫一 xv>图1 Ps-U曲线图 2 Pr+/ I Pr- |-U 曲线图 3 Ec+/|Ec-| -U 曲线分析：1. 可以看到，随着Vmax的增大，永久极化Pr呈现逐步增大的趋势，而矫顽场 Ec上下波动较大，与Vmax的增大没有必然联系。2. Pr+与Pr-并不相同，同时Ec+与Ec-也不相同，电滞回线并不关于坐标轴完 全对称。猜测这是因为仪器的原因导致的误差。五、思考题与讨论1. 试比较铁电体与铁磁体的同异。相同之处：铁磁材料和铁电材料都存在自发磁化，同样的是自发磁化也在晶体内部被分成 了许多小区域。沿用铁电材料中电畴的概念，这种小区域在铁磁材料中被称为磁 畴。铁磁材料的磁滞回线与铁电材料的电滞回线非常相似。各种特征量也相互对应。不同之处：铁电材料的性质随外加电场的强度而改变，铁磁材料随外加磁场的强度改变。2. 什么是铁电体？试举例说明你所知道的应用。答：某些晶体在一定的温度范围内具有自发极化，而且其自发极化方向可以因外 电场方向的反向而反向，晶体的这种性质称为铁电性，具有铁电性的晶体称为铁 电体。它之所以称为铁电体，是因为它与铁磁体在许多物理性质上有一一对应之 处，如电滞回线对应磁滞回线，电畴对应磁畴，顺电-铁电相变对应顺磁-铁磁相 变、电矩对应磁矩等等，而并非晶体中一定含有“铁”。至于一种晶体是否是铁 电体，我们并不能根据其内部结构的对称性来预测，只能通过实验来测定。铁电 体的重要特征之一是具有电滞回线，电滞回线的存在是判定晶体为铁电体的重要 根据。我所知道的应用：制冷、储能、压力传感器、波导管、光学储存器、电容器 件3. 铁电薄膜为什么能用作数据存储器，其优点何在?答：铁电材料具有自发极化，且自发极化有两个或多个取向，自发极化的取向可 以在外加电场的作用下转向的材料。铁电材料剩余极化的两种状态分别对应着存 储器的“0”态和“1”态，并能通过外电场的方向的改变存储状态来读取信息， 这为信息存储提供了可能。可以运用非挥发性的特点进行多次高速写入；能在失去电源的情况下不丢失任何 资料；在数据采集的过程中，可以不断高速写入数据，对旧资料进行更新。4. 铁电薄膜表征中，主要用哪些参数？答：剩余极化Pr、饱和自发极化Ps、矫顽场Ec、居里温度Tc等，除此之外还 有漏电流Ik，铁电疲劳性能（永久极化与开关次数Pr ）及铁电保持性能（永 久极化与时间关系Pr t）。六、参考文献1、黄润生等，近代物理实验（第二版），南京大学出版社。2、董思宁等，磁性材料交换偏置效应研究进展，中国产材料进展，第30卷第1 期，2011.