[发明专利]一种绝缘/漏电铁电薄膜电畴反转电流测量与转换为电滞回线的方法

说明书

技术领域

本发明属于固态电介质性能测试技术领域，具体涉及一种绝缘/漏电铁电薄膜电畴反转电流测量与转换为电滞回线的方法。

背景技术

测量电畴在外加电场下的反向成核和生长速度的最常用方法，是通过施加一个上升沿极短(～0.2－5ns)的电压方脉冲到铁电薄膜上去，然后通过示波器观察与之串连电阻(R_L)上电压（V_L）随时间（t）的变化，从而计算出电畴运动电流(I_sw)随时间变化。这种电流随时间的变化会呈现一个峰值，通过峰位的测量可以评估电畴的翻转时间，即铁电存储器、压电器件、热释电器件等在电场激励下的响应时间；或者通过电流对时间的积分，计算出可翻转电畴的极化强度P_sw随时间的变化，然后运用Kolmogorov- Avramy-Ishibashi(KAI)模型对以上数据进行拟合，计算出电畴的翻转时间t₀。人们对铁电理论的理解存在着误区，因为：(1) 电畴翻转电流随时间的变化呈现了一个台阶，而不是一个峰值；(2)在电畴翻转瞬间，铁电薄膜上电压降等于电畴翻转的矫顽电压V_c,并不等于外加电压V；(3)在电畴翻转的同时，串连电阻上电压降等于V-V_c,因此I_sw=(V-V_c)/R_t;(4)电畴翻转的时间t₀除了受到V的大小影响外，还要取决于电路中的串联电阻R_L、矫顽电压V_c以及铁电电容器的面积S,它们之间的关系有t₀ = 2P_rSR_L/(V-V_c)P_r，其中P_r为剩余极化强度；(5)如果测量电路中的RC时间小到和电脉冲上升沿时间t_r相比拟时（小铁电电容），则t_r也会严重影响翻转电流的峰位，即t₀。这些试验结果都反映了现有测量方法的局限性，限制或误导了现有铁电理论的发展。研究电畴反转的动力学机制的较为准确的评估方法应该采用电畴翻转电流密度J_sw和电畴翻转矫顽场E_c的关系，而不是采用传统的t₀-V依赖关系。其中，J_sw可以由电路中负载电阻R_L进行调节,V_c（＝V-V_L）也随之发生变化。现有商业设备都不具备以上测试功能。因此，发展一种能够表征漏电薄膜的自发极化强度和电畴运动速度的正确测量方法的铁电测试仪，无论对于理论研究还是实际应用都具有积极意义。本发明采用了脉冲测量技术，可以将电畴反转电流转化为传统的电滞回线，并且测量时间和电畴翻转时间相比拟，极大地消除样品或电路中各种与时间机制有关的杂散效应的影响，以现有商业设备所无法达到的最快测试频率表征绝缘或漏电薄膜的铁电性能。 

发明内容

本发明的目的在于提出一种脉冲电压作用下绝缘/漏电铁电薄膜的电畴反转电流测量与转化为电滞回线的方法，以便于对漏电铁电薄膜的铁电性能进行研究。

本发明提出的绝缘/漏电铁电薄膜的电畴反转电流测量转化为电滞回线的方法，可分为下述2种： 

 1、绝缘铁电薄膜电畴反转电流测量与转换为电滞回线，具体步骤如下：

(1) 将待测铁电薄膜与信号发生器和示波器、标准电阻组成的测试电路串联（所谓标准电阻的大小是任意的，可根据测试样品的不同而选取，其连接方式可为与示波器串联或并联）,利用脉冲信号发生器产生一个双极性电压脉冲(脉冲宽度与幅值相等但极性相反的两个连续脉冲),由示波器记录测试过程中电路总电阻R_t两端的电压V_R(t)随时间的变化。

 (2) 由于电路总电阻R_t已知（等于示波器和信号发生器内阻与标准电阻组成的电路总电阻）,通过示波器的电流即为电畴反转电流,即I_SW(t)=V_R(t)/R_t,将电畴反转电流对时间积分，即得到对应该时刻的极化强度的大小：

                                （1）。