[发明专利]一种铁电薄膜成核可逆电畴极化强度的测量方法

说明书

技术领域

本发明属于固态电介质应用技术领域，具体涉及一种铁电薄膜成核可逆电畴极化强度的测量方法。

背景技术

铁电材料具有较高的自发极化强度和较大的介电常数可应用于高精密红外探测器、高介质电容器、电场调制的微波器件、移相器和能量收集系统等。随着现代电子电路和器件集成密度的提高，器件单元尺寸大幅缩小，铁电材料尺寸效应变的越来越明显；同时这些器件却要求铁电材料具有更高的介电响应以提高相关器件灵敏度，转换效率等技术指标。

铁电薄膜中电畴在外加电压作用下发生了极化反转，极化反转发生时，施加在铁电薄膜上的电压被称为矫顽电压。极化反转率先发生在薄膜晶格缺陷处，即形成反向子核，然后子核长大，电畴发生横向扩张，最后相邻电畴合并，实现了整个薄膜的极化反转。研究表明：传统铁电氧化物在除去铁电尺寸效应影响下，厚度低至2.4纳米仍然能提供很大的离子位移极化,其纳米量级器件的功能在皮秒至纳秒数量级内也依然能正常工作。因此理论上，如果极化强度能跟一个外加交流电场激励源对应可逆反转,巨大的离子极化电荷在高至吉赫兹频率范围内都应该能产生一个巨大的介电响应。然而现实中实验观测到的介电响应一直远小于理论预测。这是因为在减小外加电场强度后大部分反转极化是不可逆的,其处于保持状态并对外表现为一个较大的剩余极化强度值。尽管如此，在一些铁电材料中存在一小部分反转极化在减小外加电场强度后可逆，其依然能产生远大于其它非极化介质材料的介电响应。进一步的研究表明，电畴极化反转能以极低的成核能量从缺陷处的反向子核开始，特别是在薄膜界面层缺陷处；随着施加电压增大，成核电畴进一步正向扩张长大；当成核电畴正向扩张超过薄膜厚度后，畴壁侧向运动开始主导电畴横向扩张；最后相邻电畴合并，实现了整个薄膜的极化反转。值得关注的是，当成核电畴在扩张到薄膜对面之前，如果突然微减施加电压，部分成核电畴会反向收缩，被称为成核可逆电畴。由于在皮秒至纳秒数量级时间且一个很窄电压范围内可逆成核电畴能在铁电薄膜内正向扩张生长或收缩，并产生一个远大于非极化介质材料的电容密度，因此它具有高灵敏性、高频响应、高信噪比等特性，并可应用于新一代红外探测器件、微波器件、移相器件等。但是目前商用铁电测试仪，如Radiant Premier I/II 和aixACCT TF2000 analyzer 等，基于改进的Virtual Ground或Sawyer -Tower电路，通过施加一系列低于1兆赫兹(MHz)交流信号到铁电薄膜上，然后测试铁电薄膜的P-V电滞回线，这些方法都难以测量成核可逆电畴极化强度，也无法有效控制其极化强度变化，导致成核可逆电畴特性难于实际应用。

发明内容

本发明的目的在于针对铁电薄膜成核可逆电畴的独特性及现有测量技术的局限性，提出一种能够适应各种情况、而且测量精度高的铁电薄膜成核可逆电畴极化强度的测量方法。

本发明提出的铁电薄膜成核可逆电畴极化强度的测量方法，具体分为预极化铁电薄膜电畴极化方向与外加电压处于反平行及平行方向两种情况，通过施加不同脉冲宽度的电压后，相应测量出不同铁电电容器电压下铁电电容器放电电荷面密度值及铁电薄膜反转电畴极化强度，从而计算铁电薄膜中成核可逆电畴的极化强度值。

本发明提出的一种铁电薄膜成核可逆电畴极化强度的测量方法，具体采用与铁电薄膜存储器读写完全一致的电脉冲测量法。它的测量原理为，预极化铁电薄膜电畴极化方向至外加电压的反平行方向，通过施加不同脉冲宽度的电压后，测得不同铁电电容器电压时铁电电容器放电电荷面密度及铁电薄膜反转电畴极化强度；预极化铁电薄膜电畴极化方向至外加电压的平行方向，通过施加不同脉冲宽度的电压后，测得不同铁电电容器电压时铁电电容器放电电荷面密度；最终计算出铁电薄膜成核可逆电畴极化强度。具体测量步骤如下：

(1)、预极化铁电薄膜电畴极化方向至外加电压V的反平行方向；在外加脉冲宽度                                                电压V和总串联电阻作用下，通过示波器测量两端的电压随时间的变化，可得到在脉冲宽度范围内，铁电电容器充电电流为，其等于电畴极化反转电流；在脉冲宽度之后，铁电电容器放电电流为；铁电电容器在脉冲宽度结束时的电压为：

                       (1)

其中为时刻铁电薄膜电容器上电压，V为外加电压，为电路中总串联电阻，为时刻的铁电电容器充电电流；

(2)、根据步骤(1)测量数据，按电容器充电存储电荷等于充电电流对时间积分公式：