[發明專利]一種鐵電薄膜成核可逆電疇極化強度的測量方法

在審

• 申請號: 201310304913.8
• 申請日: 2013-07-19
• 公開（公告）號: CN103412210A
• 公開（公告）日: 2013-11-27
• 發明（設計）人: 江安全;陳志輝
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G01R31/00
• 分類號: G01R31/00
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術領域

本發明屬于固態電介質應用技術領域，具體涉及一種鐵電薄膜成核可逆電疇極化強度的測量方法。

背景技術

鐵電材料具有較高的自發極化強度和較大的介電常數可應用于高精密紅外探測器、高介質電容器、電場調制的微波器件、移相器和能量收集系統等。隨著現代電子電路和器件集成密度的提高，器件單元尺寸大幅縮小，鐵電材料尺寸效應變的越來越明顯；同時這些器件卻要求鐵電材料具有更高的介電響應以提高相關器件靈敏度，轉換效率等技術指標。

鐵電薄膜中電疇在外加電壓作用下發生了極化反轉，極化反轉發生時，施加在鐵電薄膜上的電壓被稱為矯頑電壓。極化反轉率先發生在薄膜晶格缺陷處，即形成反向子核，然后子核長大，電疇發生橫向擴張，最后相鄰電疇合并，實現了整個薄膜的極化反轉。研究表明：傳統鐵電氧化物在除去鐵電尺寸效應影響下，厚度低至2.4納米仍然能提供很大的離子位移極化,其納米量級器件的功能在皮秒至納秒數量級內也依然能正常工作。因此理論上，如果極化強度能跟一個外加交流電場激勵源對應可逆反轉,巨大的離子極化電荷在高至吉赫茲頻率范圍內都應該能產生一個巨大的介電響應。然而現實中實驗觀測到的介電響應一直遠小于理論預測。這是因為在減小外加電場強度后大部分反轉極化是不可逆的,其處于保持狀態并對外表現為一個較大的剩余極化強度值。盡管如此，在一些鐵電材料中存在一小部分反轉極化在減小外加電場強度后可逆，其依然能產生遠大于其它非極化介質材料的介電響應。進一步的研究表明，電疇極化反轉能以極低的成核能量從缺陷處的反向子核開始，特別是在薄膜界面層缺陷處；隨著施加電壓增大，成核電疇進一步正向擴張長大；當成核電疇正向擴張超過薄膜厚度后，疇壁側向運動開始主導電疇橫向擴張；最后相鄰電疇合并，實現了整個薄膜的極化反轉。值得關注的是，當成核電疇在擴張到薄膜對面之前，如果突然微減施加電壓，部分成核電疇會反向收縮，被稱為成核可逆電疇。由于在皮秒至納秒數量級時間且一個很窄電壓范圍內可逆成核電疇能在鐵電薄膜內正向擴張生長或收縮，并產生一個遠大于非極化介質材料的電容密度，因此它具有高靈敏性、高頻響應、高信噪比等特性，并可應用于新一代紅外探測器件、微波器件、移相器件等。但是目前商用鐵電測試儀，如Radiant?Premier?I/II?和aixACCT?TF2000?analyzer?等，基于改進的Virtual?Ground或Sawyer?-Tower電路，通過施加一系列低于1兆赫茲(MHz)交流信號到鐵電薄膜上，然后測試鐵電薄膜的P-V電滯回線，這些方法都難以測量成核可逆電疇極化強度，也無法有效控制其極化強度變化，導致成核可逆電疇特性難于實際應用。

發明內容

本發明的目的在于針對鐵電薄膜成核可逆電疇的獨特性及現有測量技術的局限性，提出一種能夠適應各種情況、而且測量精度高的鐵電薄膜成核可逆電疇極化強度的測量方法。

本發明提出的鐵電薄膜成核可逆電疇極化強度的測量方法，具體分為預極化鐵電薄膜電疇極化方向與外加電壓處于反平行及平行方向兩種情況，通過施加不同脈沖寬度的電壓后，相應測量出不同鐵電電容器電壓下鐵電電容器放電電荷面密度值及鐵電薄膜反轉電疇極化強度，從而計算鐵電薄膜中成核可逆電疇的極化強度值。

本發明提出的一種鐵電薄膜成核可逆電疇極化強度的測量方法，具體采用與鐵電薄膜存儲器讀寫完全一致的電脈沖測量法。它的測量原理為，預極化鐵電薄膜電疇極化方向至外加電壓的反平行方向，通過施加不同脈沖寬度的電壓后，測得不同鐵電電容器電壓時鐵電電容器放電電荷面密度及鐵電薄膜反轉電疇極化強度；預極化鐵電薄膜電疇極化方向至外加電壓的平行方向，通過施加不同脈沖寬度的電壓后，測得不同鐵電電容器電壓時鐵電電容器放電電荷面密度；最終計算出鐵電薄膜成核可逆電疇極化強度。具體測量步驟如下：

(1)、預極化鐵電薄膜電疇極化方向至外加電壓V的反平行方向；在外加脈沖寬度????????????????????????????????????????????????電壓V和總串聯電阻作用下，通過示波器測量兩端的電壓隨時間的變化，可得到在脈沖寬度范圍內，鐵電電容器充電電流為，其等于電疇極化反轉電流；在脈沖寬度之后，鐵電電容器放電電流為；鐵電電容器在脈沖寬度結束時的電壓為：

???????????????????????(1)

其中為時刻鐵電薄膜電容器上電壓，V為外加電壓，為電路中總串聯電阻，為時刻的鐵電電容器充電電流；

(2)、根據步驟(1)測量數據，按電容器充電存儲電荷等于充電電流對時間積分公式：