1、第21卷第4期大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)Vol . 21No . 42008年12月出版PHYSICAL E XPERIMENT OF COLLE GE Dec . 2008收稿日期:2008-07-16文章編號(hào):1007-2934(2008 04-0006-03鐵電薄膜性能測量實(shí)驗(yàn)王東生葉進(jìn)付欣吳平(南京航空航天大學(xué), 南京, 210016摘要利用鐵電性能綜合測試系統(tǒng)測量了SrBi 2Ta 2O 9薄膜的鐵電性能, 分析了電壓變化對(duì)于電滯回線的影響, 同時(shí)對(duì)疲勞行為進(jìn)行了研究。關(guān)鍵詞鐵電薄膜; 電滯回線; 疲勞中圖分類號(hào):O484. 5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A圖1電滯回線引言鐵電體是一種具有自發(fā)極化的非線性電介質(zhì),

2、 其極化強(qiáng)度P 隨外加電場強(qiáng)度E 的變化形成電滯回線,這是確定材料具有鐵電性的基本依據(jù), 圖1是典型的電滯回線示意圖。由于在外場為零時(shí)存在兩種極化狀態(tài), 可以分別用來代表二進(jìn)制數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的“0”和“1”,非常適合制作存儲(chǔ)器。從實(shí)用的觀點(diǎn)來看, 鐵電薄膜存儲(chǔ)器具有高速度、抗輻射性、低功耗、非揮發(fā)性和高密度等特點(diǎn), 綜合了半導(dǎo)體存儲(chǔ)器和磁存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn),并能與半導(dǎo)體工藝兼容, 是一種理想的存儲(chǔ)器。本實(shí)驗(yàn)就是采用南京大學(xué)應(yīng)用物理研究所研制的TD -88A圖2觀察電滯回線的電路原理圖鐵電性能綜合測試系統(tǒng), 對(duì)SrBi 2Ta 2O 9(SBT 薄膜材料的鐵電性能展開測量。 2實(shí)驗(yàn)原理及裝置電滯回線可以用

3、圖2所示的Sawye r 電路來觀測。加上交變電壓V 時(shí), 標(biāo)準(zhǔn)電容C 0上的電荷變化等于樣品電容C x 上的電荷變化, 是C 0兩端電壓變化V 的C 0倍。示波器熒光屏上的縱坐標(biāo)表示極化強(qiáng)度P , 橫坐標(biāo)表示試樣上的電場強(qiáng)度E , 在DOI :10. 14139/j . cn ki . cn22-1228. 2008. 04. 027交變電場作用下就能觀察到電滯回線。本文中用到的SBT 鐵電薄膜電容樣品是采用金屬有機(jī)物分解法沉積在Pt /TiO 2/SiO 2/Si 基片上制備得到的, 薄膜樣品頂電極采用直流磁控濺射法加掩模制備, 直徑為0. 2mm , 如圖3所示。實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示, 將

4、頂電極朝上放在鐵電測試儀樣品臺(tái)上, 每個(gè)電極懸臂的三個(gè)微動(dòng)螺絲分別控制電極探針的徑向縮進(jìn), 橫向擺動(dòng)和上下移動(dòng), 調(diào)整鐵電測試儀電極懸臂的微動(dòng)螺絲, 使兩個(gè)電極探針懸臂分別接觸兩個(gè)頂電極, 形成兩個(gè)樣品電容的串聯(lián), 要保證接觸緊密且不容易脫落。之后確保微機(jī)和鐵電測試儀之間的正確可靠連接, 打開微機(jī)和鐵電測試儀的電源, 運(yùn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集軟件, 具體結(jié)果可以在計(jì)算機(jī)顯示器上顯示。 圖3SBT 薄膜截面圖4實(shí)驗(yàn)裝置示意圖選定相應(yīng)的脈沖寬度, 測試周期點(diǎn)數(shù), 電滯回線周期等測試參數(shù)后, 改變外加電壓即可得到薄膜的電滯回線。由圖5可見, 隨著輸出電壓幅值的增加, 縱軸極化強(qiáng)度P 的數(shù)值隨之增大, 所包

5、圍的面積也逐漸變大, 并且電滯回線形狀逐漸趨于理想形狀, 這表明電場每變化一周時(shí)鐵電薄膜所消耗的能量不斷增大。另外改變上述測試參數(shù), 電滯回線有不同的形狀, 應(yīng)與SBT 薄膜的致密不一有關(guān)。 圖5外加電壓為2V , 4V , 6V 時(shí)SBT 薄膜的電滯回線圖6為歷經(jīng)90小時(shí)得到的SBT 薄膜的疲勞曲線, 脈沖周期為1s 。盡管極化強(qiáng)度有較明顯的下降, 但是兩種極化狀態(tài)仍然可以明確區(qū)分。7 圖6SBT 薄膜的疲勞特征曲線3問題總結(jié)通過本實(shí)驗(yàn)?zāi)苁箤W(xué)生了解鐵電材料的基本性質(zhì), 學(xué)習(xí)鐵電薄膜材料鐵電性能的測量原理, 掌握電滯回線的基本測量方法, 同時(shí)也存在如下一些問題:1 . 如果不深入對(duì)如結(jié)構(gòu)相變、

6、電疇結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)理論等鐵電材料的基礎(chǔ)理論進(jìn)行學(xué)習(xí), 就難以對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有更為透徹的討論分析;2 . 使用的鐵電測試系統(tǒng)存在一些不足, 如電極定位不夠精確、配套軟件存在缺陷以及其它一些因素, 可能影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確度;3 . 在電滯回線和疲勞特性測量中, 測試參數(shù)選取很重要, 只有經(jīng)過反復(fù)測試, 最終才能得到滿意的實(shí)驗(yàn)參數(shù)和結(jié)果。參考文獻(xiàn)1鐘維烈. 鐵電物理學(xué)M . 北京:科學(xué)出版社, 19982Scott J F , Paz de Araujo C A . Ferroelectric Memories J . Science , 1989A MEASUREMENT EXPERIMENT OF F

7、ERR OELEC TRICTHIN FILM PR OPERTYWang Dongshen g Ye Jin Fu Xin Wu Ping(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics , Nanjing , 210016A bstract :The ferroelectric properties of SrBi 2Ta 2O 9thin film are measured by ferroelectric measurement instrument . For the film , we study the dependence of hysteresis loop on applied voltage . F