[发明专利]一种铁电薄膜退极化时间的测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铁电薄膜性能的测量方法，具体涉及一种利用光电流表征铁电薄膜退极化时间的测量方法。

背景技术

铁电薄膜是一类重要的功能薄膜材料。铁电材料具有介电、压电、热释电、铁电等重要特性，可制作声表面波器件、热释电探测器、铁电随机存取存储器、动态随机存取存储器、移相器、压控滤波器等多种器件。同时微电子、光电子等提出了小型化、轻量化、集成化的要求，因此铁电薄膜的发展成为了目前高新技术研究的前沿和热点之一。

在铁电材料中，几乎所有的性能都与剩余极化的大小有关。当外加电场远大于铁电薄膜的矫顽场时，薄膜内部所有的偶极子在外加电场的作用下排列取向，同时，薄膜内部存在的空间电荷也会被吸引到薄膜的上下界面；当外加电场撤去以后，由于极化束缚电荷与空间电荷之间存在相互作用，空间电荷从界面处被拉回到薄膜内部或至另一个界面，同时，极化也有所减小。最终，薄膜内部达到一种平衡状态，极化不再改变，这就是剩余极化，这一过程被称为退极化。通过测量铁电薄膜传统的电滞回线，可以得到剩余极化与自发极化的数值，而它们的比值可以反映出退极化程度的大小。但是，由于退极化过程发生在薄膜内部，且与空间电荷(一般主要是指氧空位)的多少有关，而空间电荷的数量很难测量，因此，到目前为止，退极化过程的快慢还没有办法表征出来。

传统的铁电薄膜分析方法，除了测量铁电薄膜的电滞回线以外，还包括C-V、C-F曲线、漏电流以及相关的微结构表征等手段。这些方法都不能准确地表征退极化时间的多少，往往只是借助于电滞回线或漏电流来估计退极化程度的大小。

发明内容

本发明目的是提供一种铁电薄膜退极化时间的测量方法，以实现对不同材料的铁电薄膜的退极化时间的测量。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种铁电薄膜退极化时间的测量方法，包括下列步骤：

(1)在铁电薄膜上分别设置上电极和下电极，构成金属/薄膜/金属电容器结构，将测量系统置于电磁屏蔽罩内，并放置于暗室中；

(2)在上述电容器结构上施加外加电场，以极化薄膜；

(3)撤除外加电场，等待时间间隔T后，用光源从薄膜上方照射样品表面，采集记录光电流随时间的变化曲线；

(4)从0开始逐渐增大时间间隔T，重复上述步骤(2)和(3)，分别记录在不同的时间间隔T下的光电流变化曲线，至光电流变化曲线中的峰值电流不再发生变化时停止；

(5)光电流变化曲线中的峰值电流达到最小时的时间间隔T，即为该铁电薄膜的退极化时间。

上文中，增大时间间隔T的快慢，会影响测量所花的时间和测量的准确性，一般地，如果每次时间间隔增加较多，则测量的次数较少，相应测量所花的时间较少，但测量的准确性会受到影响；反之，则可能获得更准确的测量值。相邻测量的时间间隔的改变可以是不均匀的，本领域技术人员可以根据前几次测量时，峰值电流的改变速度，凭实验经验估计改变时间间隔的多少。为提高测量的准确性，也可以在获得的可能的退极化时间附近增加时间间隔密度，多做几次测量。

上述测量方法可以用于表征铁电薄膜中空间电荷引起的退极化时间。为实现上述方法，采用的测量系统如附图1所示，铁电薄膜被置于上电极和下电极之间，由一双刀双掷开关分别连接电流表和电压源表，由数据采集系统和控制系统控制动作并采集电流数据，整个系统处于严密的电磁屏蔽罩内，并放置于暗室内；光源从薄膜上表面照射样品；数据记录自动采集，以光生电流随时间变化的曲线为基础，测量铁电薄膜中空间电荷引起的退极化时间。

本发明的原理是：当能量大于薄膜禁带宽度的光子入射到薄膜内部时，会产生大量的光生电子空穴对，这些电子空穴对在退极化场的作用下被分离到薄膜的上下表面，如果薄膜的上下电极被短路，则产生光电流，光电流的大小取决于极化的大小；同时，这些光生载流子也会反作用于极化束缚电荷，从而加速退极化过程。加速过程的快慢取决于光生载流子的数量。一般说来，空间电荷引起的退极化过程比较缓慢，而光生载流子引起的退极化过程则是比较快的。本发明利用这两种退极化机制，将空间电荷引起的退极化过程所需的时间表征出来。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

本发明通过测量光电流与撤除外加电场至打开光源间的时间间隔的变化关系，获得了铁电薄膜的退极化时间，解决了现有技术中不能表征退极化快慢的问题。

附图说明

图1是实施例一中的测量系统的示意图；

图2是实施例一中电流随时间的变化关系示意图；

图3是实施例二中光电流随时间变化的关系曲线；

图4是实施例三中光电流随时间变化的关系曲线；