下载文档原格式
新型存储芯片材料南京大学在研制成功作者：吴迪等来源：《自然—材料学》SrTiO3铁电隧道结的电阻回线aSrTiO3薄膜的表面形貌,b铁电性能,cd针尖写入的畴结构,e于畴结构对应的隧穿电流分布南京大学青年学者联谊会成员、现代工程与应用科学学院吴迪教授课题组在铁电隧道结研究方面取得重要进展。
他们首次提出并制备了基于金属/超薄铁电薄膜/半导体隧穿结构的新型铁电阻变存储器件，获得了巨大的电阻开关比，极大地提高了铁电隧道结的性能。
该论文近日在线发表于《自然—材料学》期刊网站上。
非易失性存储器在断电时仍能保持所存储的数据。
随着小型化便携式电子产品的普及，对高密度非易失性存储器的市场需求越来越大。
目前，主流的非易失性存储(即U盘使用的FLASH 方案)面临功耗大、集成度已逼近其物理极限等瓶颈。
发展新的非易失性存储方案成为必由之路。
以铁电隧道结为存储单元的铁电阻性存储近来备受关注。
铁电隧道结是一个金属/超薄铁电薄膜/金属三明治结构，以几个纳米厚度的铁电层作为电子隧穿势垒，铁电层中自发极化翻转使得势垒高度在高低两个值中变化，而从在隧道结中获得高、低两个非挥发电阻态。
铁电隧道结具有非破坏性读出、高存储密度、超快数据访问、低能耗等优势，因而被认为有望突破传统的非挥发存储的瓶颈。
铁电隧穿阻变的电阻开关比越高，应用前景越明朗，但是以往的工作得到的电阻开关比只有几倍到几百倍，限制了它的应用前景。
南京大学吴迪教授课题组注意到隧穿机率同时依赖于势垒的高度和宽度，借鉴铁电场效应器件工作原理，提出基于金属/超薄铁电薄膜/半导体结构的新型铁电隧道结，通过铁电场效应，实现极化翻转对势垒高度和宽度的同时调控，获得增强的电阻开关比。
课题组经过大量实验，成功地在Nb:SrTiO3半导体衬底上外延了厚度仅为7个晶胞高度(约3 nm)的高质量BaTiO3铁电薄膜，并获得了稳定的极化翻转；在Pt/BaTiO3/Nb:SrTiO3隧穿结构中实现了高达104的电阻开关比，比此前报道的最好结果提高了两个数量级，并且表现出可靠的阻态翻转重复性和长时间的数据保持性。
铁电薄膜铁电特性的表征吕光鑫 匡亚明学院141242003实验目的1. 了解什么晁联电休汁卜么是跑祈何找及浜测量除理和力・袪. 瓷『解那用舱飲ill 融机谟啦殍怖歸豹JL 作总理茂性陡农泄"实验原理L 按曲師特点 （D 电诩回蜒欣电体韵槻化随外电场的变化而变仏但电场较型时我化口电场之间呈前戲性矣孔昏 电场作书下斷畤厲核长从圖壁楼动冯疑极化转向住电场從剝时我化线性地依純干电场（Jtffl IX £ 3加段）•此时可逆的两鳖移动成対不可逆的.橇化阻电扬的增加叱线吐段快: 当电砒到相直于H 点值瞅总犠化帕童有折增川BC 動井起于fefr,如里趟于楂和訓 场减小+檢化榔稠（7JD 與曲线SE 小J 久致岂巾场达到零时•晶怖仍惺周布宏观械化狀东■线理 PD 农乐的概化称対擱兪楼ItPM 氏rmwiMitpolaridon 人 蔣纯段（B 外推剖弓楼亿轴相交 ” E 用战段CE 为饱和自发扱化尸注如果电糯反向点化耕甌之降低井改变方向•直到电场 等「苴 熾IM*融化乂欝趋」•忸和。
这 过用皿曲域DFG 所示+DF 附札表的电场宦便按化竽于序的电场+称为蟒瑜场E （Covvn.he field ）•电场在正负帼和悄之间循环一周时.機化弓 电场的黃束如曲就CBDFGHC #示.此曲段轄为电和阿tVHyslgii 1啊人胞莆冋纯对以用图0 21的装胃显示岀来（这証咅名的Sa 営T>W 电鬲几以磯陀晶休 作介就的电容E 上的电压匕肚加即不敲器的水平电槻板上为与C 申联一牛恒定电即韩通电蓉 g 上的电圧V ；期杞示波器的建直电機板上•很容易证期卩丫与铁屯体的眾化强度 尸礦止l 血母波器显示的用慢•纵坐林*砥P 的变化・而檀坐林叭P 加花铁电怀上外电 场苗减圧比個丽就町直接观测到FE 的电滯回纯*下面址期「f1> V 为止叱盂埶国成屮4为閨中卩源「們和顿申川『一*于话划钗:业休的介■电常故代•内真空的介电常垂3沖 平板电毎G 的面积詛切T 行¥板问竝离*代入<10,2-1 >式醫:P=t （（ — l>F^e tE —« jfE 对F ■法电杠》1*故仃心1近IUT 式.代Atm? 2）5<-|A| E 与t\祁Ji 常数.故V”与P锻止比<10.2-2）（10.2-JJ<L0.2-D1(2)居里点Te为温度高于桨一临界温戍八时•品休的斎电性浦失.这一温度称为铁电体的居里点。
两表面层铁电薄膜体介质层效应理论研究王春栋; 滕保华; 程登木; 周飞【期刊名称】《《四川师范大学学报（自然科学版）》》【年(卷),期】2011(034)005【总页数】6页(P684-689)【关键词】铁电薄膜; 相图; 体介质层; 两表面层【作者】王春栋; 滕保华; 程登木; 周飞【作者单位】电子科技大学物理电子学院四川成都610054; 电子科技大学微电子与固体电子学院四川成都610054; 南京航空航天大学高新技术研究院江苏南京210016【正文语种】中文【中图分类】BH77.80铁电薄膜材料由于具有压电效应、热释电效应、电光效应、声光效应、光折变效应、非线性光学效应和高介电系数等优良特性，所以近几十年来铁电薄膜及集成铁电器件一直是材料科学工程、电解质物理、微电子与光电子等领域科技人员关注和研究的热点之一.其中Pb(ZrxTi1-x)O3(PZT)薄膜由于具有低工作电压、高介电常数、相对大的剩余极化强度和压电常数等特点，成为铁电非易失存储器、微机电系统、热电传感器和场效应晶体管的首选材料.然而由于其显著的疲劳特性及高退火温度容易形成烧绿石相，使人们不断通过各种方法从实验上和理论上进行其改性研究［1］.理论上，运用最多的是P.G.de Gennes［2］提出的微观的横场伊辛模型(TFIM)来研究铁电薄膜的性质.该模型假设铁电薄膜是由横场中具有交换相互作用的赝自旋组成.虽然早在1944年L.Onsager［3］就发表了平面正方二维伊辛模型的精确解，然而三维的TIM至今还没有得到精确解.近年来发展了许多近似方法及格林函数法来处理该模型，J.M.Wesselinowa［4-5］运用格林函数系统地研究了铁电薄膜的TIM相图和动力学性质.王春雷等［6］和H.K.Sy［7］运用平均场近似理论研究了铁电薄膜和铁电超晶格相变中的表面效应和尺寸效应.曲保东等［8］研究了铁电薄膜的自然极化特点和介电磁化系数.滕保华等［9］运用高阶退耦合近似格林函数方法研究了各参量对相图的影响.最近从理论上研究了插入层［10］和晶种层［11］对薄膜的影响，发现选择交换相互作用大的而横场参量小的插入层和晶种层能明显提高薄膜的居里温度和极化.本文基于横场伊辛模型，获得了一个适合于研究具有体介质层的任意层数两表面层铁电薄膜相变性质的递归公式.基于该公式讨论具有两层表面层铁电薄膜的体介质层的交换相互作用和横场参量对相图的影响.研究体介质层的交换相互作用参量过渡值和横场参量之间的关系，体介质层的横场参量过渡值和交换相互作用参量之间的关系及两表面层对整个铁电薄膜的影响.1 模型及其理论处理为了简单起见，下面的讨论中将体介质层视为交换相互作用参量比原铁电薄膜(A材料)的交换相互作用参量大、而横场参量比原来小的另外一种铁电材料(B材料).这样具有两个表面层的带有体介质层的铁电薄膜就可以用具有两个表面层的A/B型(两种不同材料结构)简立方格子赝自旋模型来表示(见图1).该系统的哈密顿量［6-12］可写成下列形式其中，Ωi是横场参量，和是格点i处自旋算符沿x和z方向的分量，Jij是第i个和第j个格点位置处的交换相互作用参量只对最近邻的格点求和.如图1所示，ΩA和ΩB分别代表A材料(原铁电薄膜层)和B材料(体介质层)的横场参量;ΩSA为与原铁电薄膜层相接触的两表面层横场参量;ΩSB为与体介质层相接触的两表面层横场参量;JA为材料A的层间和层内的交换相互作用参量;JB是体介质层材料B的层间和层内交换相互作用参量;JSA为与原铁电薄膜层相接触的两表面层的交换相互作用参量;JSB为与体介质层材料B相接触的两表面层的交换相互作用参量.在界面处，A和B材料层的两体交换相互作用参量［13］为横场参量为采用类似于于文献［10］中用的平均场近似理论，并假设同一层的赝自旋具有相同值，则第i层沿z方向的自旋平均值可表示成如下形式当温度接近居里温度时，〈〉将趋于零，对于具有体介质层的两表面层铁电薄膜将有下列线性方程：对于与原铁电薄膜层相接触的两表面层有对于原铁电薄膜层(材料A)有对于体介质层薄膜(材料B)有对于与体介质层接触的两表面层有其中，Si代表基于方程(5)～(13)，可得到系数矩阵(14)，其中类似于对同种材料组成的n层铁电薄膜［7］的讨论，这一系数矩阵可写成下列递归方程其中并且有A0=1，A-1=0，B0=1，B-1=0，以及基于方程(15)，就可讨论任意层数体介质层对带有两个表面层铁电薄膜相变性质的影响.2 计算结果及分析主要运用方程(15)展示体介质层对具有两表面层铁电薄膜的影响.如上面已经提及的，为简单起见，在本文中将体介质层考虑成与原铁电薄膜不同的另一种材料(材料B)，通过比较不同的介质层的较大的交换相互作用参量和较小的横场参量对相图的影响，来研究介质层对铁电薄膜相图的影响.本文中相图主要讨论居里温度与表面交换相互作用参量JSB的关系［7，9］，同时也列举了居里温度和表面横场参量ΩSB的关系相图［10-12］.文中沿用滕保华等［9］的定义，用FPD代表铁电相决定相图，PPD代表顺电相决定相图.为简单起见，本文研究共10层铁电薄膜情形，其中4层表面层，3层介质层(材料B)，3层原铁电薄膜层(材料A).数值计算结果展示在图2中.图2展示了体介质层的横场参量对相图的影响，即对不同的ΩB的JSB-TC曲线.从图中可以发现相图敏感地依赖于介质层的横场参量ΩB.图2(a)中当体介质层的横场参量较大时，如图中的ΩB/J=3.542 8时，相图中的铁电区只占很小的一部分，而顺电相占据相图中的大部分面积，这就是顺电相决定相图PPD.而当体介质层的横场参量取较小值，如ΩB/J=2.101 3时，此时情况正好相反，铁电相占据相图大部分面积，而顺电相只占据小部分，这就是铁电相决定相图(FPD).同时还可以发现图2(a)中存在从铁电相向顺电相的过渡区，即图中的ΩB/J=2.833 29所对应的曲线(其曲线上每一点所对应的温度即为居里温度)，称该过渡曲线所对应的值为过渡值.从图2中可看到，随着温度增加时，越过该过渡曲线，便由铁电区进入了顺电区，这也就是该相图的过渡特征.同时比较图2(a)、(b)、(c)，会发现随着介质层交换相互作用参量的增加(本文中所讨论的介质层的交换相互作用参量值比原铁电薄膜的大)，介质层的横场参量的过渡值在增加，同时相图中的铁电区也在增加.这说明介质层的交换相互作用的增大将导致薄膜的居里温度增加.综上所述，说明横场参量是顺电相产生的原因，交换相互作用是铁电相产生的原因.铁电相和顺电相的出现是横场参量和交换相互作用参量相互竞争的结果.所以实验中要选择交换相互作用参量大而横场参量小的介质层来提高整个薄膜的居里温度，改善薄膜的铁电性能.图2中通过比较(a)、(b)、(c)讨论了体介质层的交换相互作用参量对相图的影响.为了更直观的展现其对相图的影响，在图3中，将在同一图中比较体介质层的交换相互作用参量对相图的影响.与图2中所讨论的体介质层的横场参量过渡值相类似，本图中也存在体介质层的交换相互作用参量的过渡值.而与图2中横场参量对相图影响不同的是在本图中可以发现体介质层的交换相互作用越大铁电区越大.这一结论与对通常铁电薄膜的研究相一致［7］.观察图4，可发现当介质层的交换相互作用参量增加时，其横场参量的过渡值也在增加.此即表示对于较大的JB/J，需要较大的ΩB/J才能导致从铁电相向顺电相的转变.换言之，增大介质层的交换相互作用参量将增大从铁电相向顺电相转变的难度.另外从图4中还能发现随着JB/J增加，横场参量的过渡值增加速率也在增加. 从图5中也能看到当介质层的横场参量增加时，交换相互作用参量的过渡值也在增加，即对于较大的ΩB/J，只有较大的JB/J才能导致从顺电相向铁电相的转变.而图5的特征与图4的特征不一样，ΩB/J和 JBC/J存在线性关系，其线性关系为JBC/J=0.359ΩB/J+0.049.这说明体介质层的交换相互作用参量对相图的影响要比其横场参量对相图的影响稍大些.在图2、3中研究了体介质层的横场参量和交换相互作用参量对相图的影响，发现横场参量和交换相互作用参量均存在过渡值，并且发现材料的这两个参量并不是互相独立的，而是相互影响相互制约的，故在图5、6中将分别研究体介质层的交换相互作用参量对横场参量过渡值的影响及介质层的横场参量对其交换相互作用参量的过渡值的影响.在图2～5中研究了体介质层的交换相互作用参量和横场参量对相图的影响及对相互之间的过渡值的影响.图6中将研究当体介质层(B材料)和原铁电薄膜(A材料)的交换相互作用参量和横场参量都取确定值(本图中选取体介质层的交换相互作用比原铁电薄膜的大，而横场参量比原铁电薄膜的小的情形)时，与体介质层相接触的表面的交换相互作用对相图ΩSB-TC的影响.从图中发现当JSB/J从0.1增加到0.25时，铁电区将敏感地随之增加，同时也发现当取确定的ΩSB时，表面相互作用JSB/J的增加也将导致整个薄膜居里温度的增加.这一结果与文献［7］对通常铁电薄膜的表面效应的研究相一致.3 结语本文基于横场伊辛模型，运用理论上获得的适合于研究具有体介质层的任意层数两表面层铁电薄膜相变性质的递归公式，讨论了体介质层的加入对整个铁电薄膜相变性质的影响.结果显示，体介质层的交换相互作用参量的增大，能导致相图中铁电区的增加、薄膜的居里温度增大、横场参量过渡值的增大;体介质层的横场参量的增大，能导致相图中铁电区的减小、薄膜居里温度的减小、交换相互作用参量过渡值的增大;而体介质层的交换相互作用参量对薄膜的影响比其横场参量稍大些.此外，与体介质层接触的表面层对相图和居里温度也有很大的影响.尽管文中所呈现的体介质层效应是定性的，希望能对实验中铁电薄膜性能改性有所理论指导.参考文献［1］王英龙，魏同茹，刘保亭，等.外延PbZr0.4Ti0.6O3薄膜厚度对其铁电性能的影响［J］.物理学报，2007，56(5)：2931-2936.［2］de Gennes P G.Collective motions of hydrogen bonds［J］.Solid State Commun，1963，1(6)：132-137.［3］Onsager L.Crystal statistics I：A two-dimensional model with anorder-disorder transition［J］.Phys Rev，1944，B65：117-149.［4］Wesselinowa J M.On the theory of thin ferroelectric films［J］.Phys Stat Sol(b)，2001，223：737-743.［5］Wesselinowa J M.Properties of ferroelectric thin films with a first-order phase transitions［J］.Solid State Commun，2002，121(2)：89-92. ［6］Wang C L，Xin Y，Wang X S，et al.Phase transition properties offerroelectric superlattices with three alternative layers［J］.Phys Lett，2000，A268：117-122.［7］Sy H K.Surface effects in an alternating magnetic superlattice［J］.Phys Rev，1992，B45(1)：4454-4459.［8］Qu Bao-dong，Zhong Wei-lei，Zhang Pei-lin.Phase-transition behavior of the spontaneous polarization and suspeptibility of ferroelectric thin film［J］.Phys Rev，1995，B52(2)：766-770.［9］Teng B H，Sy H K.Green’s function investigati on of transition properties of the transverse Ising model［J］.Phys Rev，2004，B70(10)：104115-104120.［10］Wang Chun-dong，Teng Bao-hua，Zhang Xian-jun，et al.Phase transition properties of ferroelectric thin film with one distinct inserting-layer［J］.Mod Phys Lett，2008，B22(31)：1-13.［11］Wang Chun-dong，Teng Bao-hua，Zhang Xian-jun，etal.Investigation of the seeding-layer effect on a ferroelectric thin film with the transverse Ising model［J］.Phys，2009，A388(38)：1472-1478. ［12］Kaneyoshi T.Phase diagrams of a transverse Ising superlattice based on two theoretical frameworks［J］.Phys，2001，A293(1)：387-398. ［13］Qu Bao-dong，Zhong Wei-lei，Zhang Pei-lin.Ferroelectric supperlattice with first-order transition［J］.Ferroelectrics，1997，197：23-26.［14］Wang Chun-lei，Qin Zi-kai，Zhang Jing-bo.Green’s function theory of phase transition in PbHPO3and PbDPO4ferroelectrics［J］.Ferroelectrics，1988，77：21-29.［15］Zhou Jing，Lv Tian-quan，Cui Lian，et al.Phase transition properties of finite size ferroelectric thin film with structural transition zones［J］.J Appl Phys，2008，104：124105-124112.［16］Lu Z X，Teng B H，Lu X H，et al.Investigation of the crossover properties for the interaction parameters of a ferroelectric thin film ［J］.Solid State Commun，2009，149(29/30)：1176-1179.［17］穆轶，侯邦品.增加光子对和减少光子对相干态的等阶Y压缩效应［J］.四川师范大学学报：自然科学版，2007，30(5)：610-614.［18］丁迎春，徐明，沈益斌，等.γ-Si3N4在高压下的光学性质研究［J］.四川师范大学学报：自然科学版，2007，30(6)：755-759.。
铁电薄膜铁电性能的表征一、实验目的1、了解什么是铁电体，什么是电滞回线及其测量原理和方法；2、了解非挥发铁电随机读取存储器的工作原理及性能表征。
二、实验原理1、铁电体的特点（1）电滞回线铁电体的极化随外电场的变化而变化，但电场较强时，极化与电场之间呈非线性关系。
在电场作用下新畴成核长，畴壁移动，导致极化转向，在电场很弱时，极化线性地依赖于电场见图1，此时可逆的畴壁移动成为不可逆的，极化随电场的增加比线性段快。
当电场达到相应于点值时，晶体成为单畴，极化趋于饱和。
电场进一步增强时，由于感应极化的增加，总极化仍然有所增大段。
如果趋于饱和后电场减小，极化将循段曲线减小，以致当电场达到零时，晶体仍保留在宏观极化状态，线段表示的极化称为剩余极化。
将线段外推到与极化轴相交于，则线段为饱和自发极化。
如果电场反向，极化将随之降低并改变方向，直到电场等于某一值时，极化又将趋于饱和。
这一过程如曲线所示，所代表的电场是使极化等于零的电场，称为矫顽场。
电场在正负饱和度之间循环一周时，极化与电场的关系如曲线所示此曲线称为电滞回线。
图1 铁电体的电滞回线图2 测量电路图电滞回线可以用图2的装置显示出来（这就是著名的 Sawyer-Tower 电路），以电晶体作介质的电容 上的电压 是加在示波器的水平电极板上，与 串联一个恒定电容 （即普通电容）， 上的电压 加在示波器的垂直电极板上，很容易证明 与铁电体的极化强度 P 成正比，因而示波器显示的图象，纵坐标反映 的变化，而横坐标 与加在铁电体上外电场强成正比，因而就可直接观测到 的电滞回线。
下面证明 和 的正比关系，因式中 为图中电源 的角频率； ， 为铁电体的介电常数， 为真空的介电常数， 为平板电容 的面积，d 为平行平板间距离，代入上式得：根据电磁学对于铁电体， ，故有后一近似等式，代入上式 ，因 与 都是常数，故 与 成正比。
（2）居里点当温度高于某一临界温度 时，晶体的铁电性消失。
具有择优取向的多晶铁电薄膜的力学性能研究铁电薄膜具有十分优异的铁电性能、压电性能、热释电性能、非线性光学性能等,因此有望用于非挥发铁电随机存储器、力传感器、声传感器、微型驱动器（包括微型马达等）、红外探测材料等。
目前,采用不同工艺制备的铁电薄膜材料往往呈现出特殊的结晶取向,展示出不同的物理力学性能。
此外,薄膜材料特殊的微观结构、残余应力、附着特性等不仅影响铁电薄膜的铁电性能,而且直接关系到铁电薄膜材料的可靠性。
本文以多晶铁电薄膜为研究对象,采用不同的模型计算了多晶铁电薄膜的有效弹性常数,研究了两种工艺制备的Pb(Zr<sub>0.52</sub>Ti<sub>0.48</sub>)O<sub>3</sub>（PZT）薄膜和(Pb<sub>0.90</sub>La<sub>0.10</sub>)Ti<sub>0.975</sub>O<sub>3</sub>（PLT）薄膜的硬度和压痕模量,分析了不同织构对多晶薄膜弹性性能的影响。
推导了适于计算有织构的多晶铁电薄膜的X射线衍射（XRD）应力分析的基本方程,分析了PZT薄膜和PLT薄膜的残余应力。
利用纳米压痕仪和原子力显微镜（AFM）研究了铁电薄膜在大载荷压入下的破坏行为,计算有效界面断裂韧性,借助有限元方法分析了压入过程中产生的应力场。
以下是本文的主要研究思路、方法和结论:（1）利用Voigt、Ruess、Voigt-Ruess-Hill（VRH）和Vook–Witt（VW）模型计算理想丝织构及随机取向正交各向异性铁电薄膜的有效弹性常数。
以二维高斯分布函数作为取向分布函数,分析织构弥散对薄膜弹性性能的影响。
数值结果表明,不同取向薄膜弹性常数的计算结果差异很大。
对于强（001）织构薄膜,取向分布函数可以近似简化为关于θ的一维高斯分布函数,对于其它类型的织构,需要考虑二维高斯分布函数作为取向分布函数;（2）利用XRD和AFM分析溶胶-凝胶法制备的PZT和磁控溅射法制备的PLT铁电薄膜的相组成、结晶取向和表面轮廓等微观结构特征。
铁电薄膜材料及其应用铁电体是一类具有自发极化的介电晶体，且 其极化方向可以因外电场方向反向而反向。
存在自发极化是铁电晶体的根本性质，它来 源于晶体的晶胞中存在的不重合的正负电荷 所形成的电偶极矩。
具有铁电性，且厚度在数十纳米至数微米的 薄膜材料，叫铁电薄膜。
从二十世纪八十年代以来，铁电材料的研 究主要集中于铁电薄膜及异质结构、聚合 物铁电复合材料、铁电液晶等方面。
目前，由铁电薄膜与Si半导体集成技术相 结合而发展起来的集成铁电学 （Integrated Ferroelectrics）及相关集 成铁电器件的研究，已成为铁电学研究中 最活跃的领域之一，亦在信息科学技术领 域中显示出诱人的应用前景，受到了材料 物理、凝聚态物理、陶瓷学、微电子学和 信息科学等领域中众多学者的关注。
图1 铁电体电滞回线示意图铁电体的基本性质铁电体的基本性质就是铁电体的极化方向 随外电场方向反向而反向。
极化强度与外电场的关系曲线如图1所示， 此曲线即电滞回线（hysteresis loop）。
图中PsA是饱和极化强度， Pr是剩余极化强 度， EC是矫顽场。
铁电体的基本性质由于晶体结构与温度有密切的关系，所以 铁电性通常只存在于一定的温度范围内。
当温度超过某一特定的值时，晶体由铁电 (ferroelectric)相转变为顺电 （paraelectric）相，即发生铁电相变， 自发极化消失，没有铁电性。
这一特定温度Tc称为居里温度或居里点 (Curie Temperature)。
铁电体的基本性质在居里点附近铁电体的介电性质、弹性性 质、光学性质和热学性质等，都要出现反 常现象，即具有临界特性。
在Tc时，介电系数、压电系数、弹性柔顺系 数、比热和线性电光系数急剧增大。
例如：大多数铁电晶体，在Tc时介电常数可 达104～105，这种现象称为铁电体在临界温 度附近的“介电反常”。
铁电体的基本性质当温度高于Tc时，介电系数与温度的关系服从居 里－外斯定律(Curie-Weiss Law)：ε = c (T − T ) 0式中，c为居里常数(Curie constant )，T为绝 对温度，To为顺电居里温度，或称为居里-外斯 温度，它是使ε→ ∞时的温度。
Cu(111)衬底上单层铁电GeS薄膜的原子和电子结构研究朱孟龙;杨俊;董玉兰;周源;邵岩;侯海良;陈智慧;何军【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2024(73)1【摘要】二维铁电材料因具有自发极化特性,在铁电场效应晶体管、非易失性存储器和传感器中具有广泛的技术和器件应用.特别是第Ⅳ主族单硫属化合物具有最高的理论预测热电特性和本征的面内铁电极化特性,适合作为探索二维铁电极化特性的模型材料.然而,由于相对大的解理能,目前不容易获得高质量和大尺寸单层第Ⅳ主族单硫属化合物,严重阻碍了这些材料应用到快速发展的二维材料及其异质结研究中.本文采用分子束外延方法在Cu(111)衬底上成功制备单层GeS.通过高分辨扫描隧道显微镜,原位X射线光电子能谱和角分辨光电子能谱以及密度泛函理论计算,对单层GeS原子晶格和电子能带结构进行了系统表征.研究结果表明:单层GeS具有正交晶格结构和近似平带的电子能带结构.单层GeS的成功制备和表征使得制备高质量和大尺寸单层第Ⅳ主族单硫属化合物成为可能,有利于该主族材料应用到快速发展的二维铁电材料以及异质结研究中.【总页数】8页(P123-130)【作者】朱孟龙;杨俊;董玉兰;周源;邵岩;侯海良;陈智慧;何军【作者单位】湖南工商大学微电子与物理学院;中南大学物理与电子学院;北京理工大学集成电路与电子学院【正文语种】中文【中图分类】TN3【相关文献】1.在LaNiO_3衬底上(Pb,La)TiO_3铁电薄膜的制备和研究2.硅衬底Bi4Ti3O12和Bi3.25La0.75Ti3O12铁电薄膜的慢正电子束研究3.用光电子谱研究Cu（111）上亚单层Pb的表面合金化NiO3衬底上Pb(ZrxTi1-x)O3铁电薄膜及梯度薄膜的制备和研究5.基于Al诱导结晶在SiO_2衬底上生长(111)晶向平面多晶Ge薄膜的研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
超薄铁电膜的居里温度及其表面效应
凌瑞良;聂鹏飞
【期刊名称】《常熟高专学报》
【年(卷),期】2000(014)002
【摘要】采用平均场理论下的横场Ｉｓｉｎｇ模型，得到同时考虑Ωｓ≠Ω，Ｊｓ≠Ｊ情况下超薄铁电膜的居里温度表达式，进一步研究除发现存在临界表面层隧穿频率．Ωｓｃ外还发现由Ｊｓ／Ｊ＝
【总页数】4页(P36-39)
【作者】凌瑞良;聂鹏飞
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】TM221
【相关文献】
1.表面效应对铁电纳米线性能的影响 [J], 洪家旺;方岱宁
2.超薄铁电膜的居里温度及表面效应(续) [J], 凌瑞良;聂鹏飞
3.高居里温度铋层状结构钛钽酸铋(Bi3TiTaO9)的\r压电、介电和铁电特性 [J], 郑隆立;齐世超;王春明;石磊
4.超薄铁电膜的居里温度及表面效应 [J], 凌瑞良; 聂鹏飞
5.不同方法测铁电材料的居里温度 [J], 章世清
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
铁电薄膜铁电性能的表征一、实验目的1、了解什么是铁电体，什么是电滞回线及其测量原理和方法；2、了解非挥发铁电随机读取存储器的工作原理及性能表征。
二、实验原理1、铁电体的特点（1）电滞回线铁电体的极化随外电场的变化而变化，但电场较强时，极化与电场之间呈非线性关系。
在电场作用下新畴成核长，畴壁移动，导致极化转向，在电场很弱时，极化线性地依赖于电场见图1，此时可逆的畴壁移动成为不可逆的，极化随电场的增加比线性段快。
当电场达到相应于点值时，晶体成为单畴，极化趋于饱和。
电场进一步增强时，由于感应极化的增加，总极化仍然有所增大段。
如果趋于饱和后电场减小，极化将循段曲线减小，以致当电场达到零时，晶体仍保留在宏观极化状态，线段表示的极化称为剩余极化。
将线段外推到与极化轴相交于，则线段为饱和自发极化。
如果电场反向，极化将随之降低并改变方向，直到电场等于某一值时，极化又将趋于饱和。
这一过程如曲线所示，所代表的电场是使极化等于零的电场，称为矫顽场。
电场在正负饱和度之间循环一周时，极化与电场的关系如曲线所示此曲线称为电滞回线。
图1 铁电体的电滞回线图2 测量电路图电滞回线可以用图2的装置显示出来（这就是著名的 Sawyer-Tower 电路），以电晶体作介质的电容 上的电压 是加在示波器的水平电极板上，与 串联一个恒定电容 （即普通电容）， 上的电压 加在示波器的垂直电极板上，很容易证明 与铁电体的极化强度 P 成正比，因而示波器显示的图象，纵坐标反映 的变化，而横坐标 与加在铁电体上外电场强成正比，因而就可直接观测到 的电滞回线。
下面证明 和 的正比关系，因式中 为图中电源 的角频率； ， 为铁电体的介电常数， 为真空的介电常数， 为平板电容 的面积，d 为平行平板间距离，代入上式得：根据电磁学对于铁电体， ，故有后一近似等式，代入上式 ，因 与 都是常数，故 与 成正比。
（2）居里点当温度高于某一临界温度 时，晶体的铁电性消失。
这一温度称为铁电体的居里点。
由于铁电体的消失或出现总是伴随着晶格结构的转变，所以是个相变过程，已发现铁电体存在两种相变：一级相变伴随着潜热的产生，二级相变呈现比热的突变，而无潜热发生，又铁电相中自发极化总是和电致形变联系在一起，所以铁电相的晶格结构的对称性要比非铁电相为低。
如果晶体具有两个或多个铁电相时，最高的一个相变温度称为居里点，其它则称为转变温度。
（3）居里-外斯定律由于极化的非线性，铁电体的介电常数不是常数，而是依赖于外加电场的，一般以曲线（图1）在原点的斜率代表介电常数，即在测量介电常数时，所加外电场很小，铁电体在转变温度附近时，介电常数具有很大的数值，数量级达。
当温度高于居里点时，介电常数随温度变化的关系为2、铁电体和铁电存储的应用铁电体具有介电、压电、热释电、铁电性质以及与之相关的电致伸缩性质、非线性光学性质、电光性质、声光性质、光折变性质、铁电记忆存储性能等等，都与其电极化性质相关，特别是电介质的热释电与铁电性质都与其自发极化相关。
由于铁电体具有上述性质，因而在诸多高技术中有着很重要的应用。
利用其压电性能可制作电声换能器，用于超声波探测，声纳，振谐器，声表面波器件等；利用其热释电性质可制作红外探测器，红外监视器，热成像系统等；利用非线性光学效应可制作激光倍频、三倍频、和频、差频器；利用电光性质可制作激光电光开关、光偏转器、光调制器等；利用声光效应可制作激光声光开关、声光偏转器、声光调制器等；利用光折变效应可制作光存储器件；而铁电材料的铁电性可制作铁电记忆存储器。
3、铁电存储应用铁电记忆存储器是利用铁电体所具有的电滞回线性质。
如图1所示，当加到铁电体上电场为零时，铁电体上仍保持有一定的极化强度（或），这个极化电荷的符号取决于该电体上原加场的符号。
若原来加的正场，则当外场变为零场时，铁电体上为正的剩余极化（）而若是从负场变到零场，则此时剩余极化为负（）。
正是利用这无外场时所有的两个稳定极化作为计算机编码0（）和1（），这就是铁电记忆及逻辑电路的基础。
铁电记忆存储是铁电体极少数利用铁电体的铁电性能去工作，而不是其他性能（如热电、压电、电光等）的应用。
在非挥发性铁电存储器应用中，即使电源突然中断，其储存的信息也可保持。
铁电体不仅作为一个电容，而且其本身也作为一个存储单元。
铁电存储器由于其尺寸小（是通常可擦除随机只读存储器的20%），抗辐照（特别适用于军用和航天使用），存储读取速度高，容易与硅工艺相容，因而有很好的前景。
目前铁电随机存储器已有商品销售，由其为核心的智能卡及作为嵌入式芯片已用于众多家电的控制器如洗衣机、游戏机、电视频道存储记忆器、复印机、收费站刷卡等等方面，随大存储量的产品出现将在数码相机、随身听中使用，市场前景看好。
1952年，贝尔实验室的J. R. Anderson首先提出了用铁电材料来制备存储器的思想，即利用铁电晶体的电学双稳态特性，用可反转的“上”、“下”两个方向的极化状态，来实现计算机存储器操作。
但由于当时薄膜制备技术尚未发展，且早期的铁电存储器存在半选干扰问题，疲劳问题也非常显著，再加上要使用昂贵的铁电单晶材料，因此使得铁电存储器的设想在当时未能实现，直到90年代初随薄膜制备技术的发展才逐渐发展。
目前已设计出的存储器有三种，即非易失性铁电随机读取存储器（FeRAM），铁电场效应管（FeFET）和铁电动态随机存储器（DRAM）。
FeRAM的工作原理为：当铁电存储单元中的铁电薄膜处于（或）状态，相应的铁电存储单元的信息为1（或0），当一个脉冲作用于存储单元时，如果读脉冲和存储单元的极化相反，电畴将反转，此时通过电容器的位移电流为反转电流。
当脉冲方向与存储单元的极化相同时，无极化反转发生，此时铁电薄膜只表现为线性的电容特征，位移电流为小电流。
因此比较两个电流就知道存储状态是1还是。
目前具体的FeRAM实现方式有两种，分别是（即一个场效应管和一个电容）和方式。
前者占用空间比较小，有利于提高集成度，但是对大面积薄膜的均匀性要求较高。
相反后者占用空间较大，不适合高密度存储，但对膜的均匀性要求不高。
铁电材料的铁电性能最为重要的表征是其电滞回线所反映的铁电性能，包括饱和极化，永久极化，矫玩场等，而对于用于铁电存储器的铁电薄膜来讲，除此之外还有漏电流，铁电疲劳性能（永久极化与开关次数- n）及铁电保持性能（永久极化与时间关系- t ）。
通常要求永久极化，矫玩场。
好的疲劳特性，在铁电翻转次时，永久极化很少变化。
在105秒内可较好的保持电荷，漏电流小于。
4、铁电薄膜的制备用于铁电存储性能研究的铁电电容是淀积在衬底上的铁电薄膜(如，等)，为底电极。
然后用孔状掩膜在铁电薄膜的上表面用磁控溅射法制作上电极，用于性能测量。
铁电薄膜的制备方法多种多样，常见的大致可以分为两类，一类属于物理气相沉积（）方法，常见的有溅射法、脉冲激光沉积法、激光分子束外延等。
另一类属于化学气相沉积法（），常见的有金属有机源气相沉积（）和原子层化学气相沉积（）。
此外，还有热蒸发法，湿氧化法等其他制备方法。
下面简要介绍几种常见的制备方法。
（1）溅射法：常见的有磁控溅射和离子束溅射。
其优点是制备薄膜的成本较低，可以制备供工业应用的大面积薄膜。
薄膜的制备不仅可以使用陶瓷靶材，也可在氧气氛围中使用金属或合金靶材进行反应溅射。
这种制备方法的缺点是，如果各组元的挥发性差别很大，溅射生长的薄膜成分和靶材成分将会有较大偏差，而且其偏差大小与工艺制备条件有关。
（2）脉冲激光沉积法：方法是20世纪80年代迅猛发展起来的制备薄膜技术。
它利用经过聚焦而具有很高能流密度的紫外脉冲激光束瞬间融溶靶材，产生高压高能的等离子体，最终在衬底上沉积成膜。
此方法的最大优点是沉积的薄膜与靶材的成分很接近，因而可以通过调控靶材的成分来严格控制薄膜成分。
由于光源为能量较高的紫外脉冲激光束，所以能制备高熔点、多组分的氧化物薄膜和异质结构。
其主要的缺点是不能制备大面积厚度均匀的薄膜。
（3）激光分子束外延（）：其基本的原理与相似。
其主要的优点是可在薄膜生长过程中进行原位观测，实现单原子层生长，从而可获得高纯度、厚度均匀可控的超薄膜，所以特别适合用于生长外延单晶膜或多层膜，缺点是生长薄膜时要求较高的真空度，所以对仪器设备的要求很高。
（4）化学气相沉积法（）：该方法的特点是在材料进行化学反应合成的同时成膜，其中以金属有机物化学气相沉积（）的用途最广，一般工业生产用此法。
这种方法的优点是可以制备大面积均匀的薄膜包括外延单晶膜，而且薄膜沉积速率调控范围很大。
此方法的缺点是对于许多的氧化物材料而言，能适用的具有足够高饱和蒸汽压的金属有机物源（简称源）难以合成。
原子层化学气相沉积（）能实现单原子层生长从而能制备出高质量的超薄膜，但是其技术的高要求和操作的复杂性使得其应用的普及性受到很大的限制。
（5）有机金属沉积（）：沉积是制备铁电薄膜的最方便的技术，同时也是目前实验室使用旋堡技术制备铁电薄膜的方法。
和旋堡技术结合制备薄膜有很多优点：①成分非常均匀且易控制；②与相比，退火处理后薄膜中的含碳量低；③工艺简单。
但同时也有些不利之处，比如只能在平面上沉积薄膜、为达到所需厚度薄膜需通过多次旋堡在层间会造成高缺陷密度，易产生漏电。
三、实验仪器TD-88A 型铁电性能综合测试系统配件清单：四、实验内容1、运行应用软件，进入软件主界面，打开主菜单的测量部分选择“电滞回线测量”选项，输入“样品名称”、“样品面积”、“样品厚度”、“输出电压幅度”、“测试周期点数”、“电滞回线周期”等参数。
2、按“确定”键后，软件弹出对话框“请输入需保存的实验数据的文件名”，用户输入以*.loop 的文件名后按“OK”键继续，回到软件主界面，按“开始测量”按键，系统自动进行电滞回线测量和脉冲参数测量（测量时请注意主界面下侧提示条的信息），以上两项参数测量完成后系统弹出信息框“是否进行漏电流测量”，按“Yes”则进行漏电流及电阻阻值测量,按“No”即完成测量。
五、实验结果通过实验测量，改变不同的电压参数，测量相应的电滞回线，如下图3至图9 分别为700、750、800、850、900、950、1000V时的电滞回线。
图3 U=700V图4 U=750V图5 U=800V图6 U=850V图7 U=900V图8 U=950V图9 U=1000V以下是通过计算机软件自动计算出的材料的、、值，其结果如下表：表1以下是通过matlab软件计算出的材料的、、值，其结果如下表：表2如图10至图12为对、、的值随电压U的变化所做的图，如图可知随着电压U 的增大，、的值相应的增大，而没有明显的变化，可见与电压没有明显的关系。
图10 随电压U的变化图11 随电压U的变化图12 随电压U的变化六、思考题1.试比较铁电体与铁磁体的同异。
