[發明專利]一種鐵電薄膜退極化時間的測量方法

有效

• 申請號: 201010231417.0
• 申請日: 2010-07-16
• 公開（公告）號: CN101915878A
• 公開（公告）日: 2010-12-15
• 發明（設計）人: 鄭分剛;方亮;董雯;沈明榮;曹大威
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: G01R31/00
• 分類號: G01R31/00;G01R19/00
• 代理公司: 蘇州創元專利商標事務所有限公司 32103
• 代理人: 陶海鋒

技術領域

本發明涉及一種鐵電薄膜性能的測量方法，具體涉及一種利用光電流表征鐵電薄膜退極化時間的測量方法。

背景技術

鐵電薄膜是一類重要的功能薄膜材料。鐵電材料具有介電、壓電、熱釋電、鐵電等重要特性，可制作聲表面波器件、熱釋電探測器、鐵電隨機存取存儲器、動態隨機存取存儲器、移相器、壓控濾波器等多種器件。同時微電子、光電子等提出了小型化、輕量化、集成化的要求，因此鐵電薄膜的發展成為了目前高新技術研究的前沿和熱點之一。

在鐵電材料中，幾乎所有的性能都與剩余極化的大小有關。當外加電場遠大于鐵電薄膜的矯頑場時，薄膜內部所有的偶極子在外加電場的作用下排列取向，同時，薄膜內部存在的空間電荷也會被吸引到薄膜的上下界面；當外加電場撤去以后，由于極化束縛電荷與空間電荷之間存在相互作用，空間電荷從界面處被拉回到薄膜內部或至另一個界面，同時，極化也有所減小。最終，薄膜內部達到一種平衡狀態，極化不再改變，這就是剩余極化，這一過程被稱為退極化。通過測量鐵電薄膜傳統的電滯回線，可以得到剩余極化與自發極化的數值，而它們的比值可以反映出退極化程度的大小。但是，由于退極化過程發生在薄膜內部，且與空間電荷(一般主要是指氧空位)的多少有關，而空間電荷的數量很難測量，因此，到目前為止，退極化過程的快慢還沒有辦法表征出來。

傳統的鐵電薄膜分析方法，除了測量鐵電薄膜的電滯回線以外，還包括C-V、C-F曲線、漏電流以及相關的微結構表征等手段。這些方法都不能準確地表征退極化時間的多少，往往只是借助于電滯回線或漏電流來估計退極化程度的大小。

發明內容

本發明目的是提供一種鐵電薄膜退極化時間的測量方法，以實現對不同材料的鐵電薄膜的退極化時間的測量。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案是：一種鐵電薄膜退極化時間的測量方法，包括下列步驟：

(1)在鐵電薄膜上分別設置上電極和下電極，構成金屬/薄膜/金屬電容器結構，將測量系統置于電磁屏蔽罩內，并放置于暗室中；

(2)在上述電容器結構上施加外加電場，以極化薄膜；

(3)撤除外加電場，等待時間間隔T后，用光源從薄膜上方照射樣品表面，采集記錄光電流隨時間的變化曲線；

(4)從0開始逐漸增大時間間隔T，重復上述步驟(2)和(3)，分別記錄在不同的時間間隔T下的光電流變化曲線，至光電流變化曲線中的峰值電流不再發生變化時停止；

(5)光電流變化曲線中的峰值電流達到最小時的時間間隔T，即為該鐵電薄膜的退極化時間。

上文中，增大時間間隔T的快慢，會影響測量所花的時間和測量的準確性，一般地，如果每次時間間隔增加較多，則測量的次數較少，相應測量所花的時間較少，但測量的準確性會受到影響；反之，則可能獲得更準確的測量值。相鄰測量的時間間隔的改變可以是不均勻的，本領域技術人員可以根據前幾次測量時，峰值電流的改變速度，憑實驗經驗估計改變時間間隔的多少。為提高測量的準確性，也可以在獲得的可能的退極化時間附近增加時間間隔密度，多做幾次測量。

上述測量方法可以用于表征鐵電薄膜中空間電荷引起的退極化時間。為實現上述方法，采用的測量系統如附圖1所示，鐵電薄膜被置于上電極和下電極之間，由一雙刀雙擲開關分別連接電流表和電壓源表，由數據采集系統和控制系統控制動作并采集電流數據，整個系統處于嚴密的電磁屏蔽罩內，并放置于暗室內；光源從薄膜上表面照射樣品；數據記錄自動采集，以光生電流隨時間變化的曲線為基礎，測量鐵電薄膜中空間電荷引起的退極化時間。

本發明的原理是：當能量大于薄膜禁帶寬度的光子入射到薄膜內部時，會產生大量的光生電子空穴對，這些電子空穴對在退極化場的作用下被分離到薄膜的上下表面，如果薄膜的上下電極被短路，則產生光電流，光電流的大小取決于極化的大?。煌瑫r，這些光生載流子也會反作用于極化束縛電荷，從而加速退極化過程。加速過程的快慢取決于光生載流子的數量。一般說來，空間電荷引起的退極化過程比較緩慢，而光生載流子引起的退極化過程則是比較快的。本發明利用這兩種退極化機制，將空間電荷引起的退極化過程所需的時間表征出來。

由于上述技術方案運用，本發明與現有技術相比具有下列優點：

本發明通過測量光電流與撤除外加電場至打開光源間的時間間隔的變化關系，獲得了鐵電薄膜的退極化時間，解決了現有技術中不能表征退極化快慢的問題。

附圖說明

圖1是實施例一中的測量系統的示意圖；

圖2是實施例一中電流隨時間的變化關系示意圖；

圖3是實施例二中光電流隨時間變化的關系曲線；

圖4是實施例三中光電流隨時間變化的關系曲線；