专利名称：一种铁电薄膜退极化时间的测量方法
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⑵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 不均勻的，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。
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；图5是实施例二和实施例三中的两种薄膜的漏电流曲线。其中1、铁电薄膜；2、上电极；3、下电极；4、导线；5、双刀双掷开关；6、电流表；7、 电压源表；8、光源；9、屏蔽罩；10、数据采集系统和控制系统；11、光生空穴；12、光生电子； 13、外部回路中的光电流。
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述实施例一参见图1所示，一种铁电薄膜退极化时间的测量系统，包括铁电薄膜1、 上电极2、下电极3，上、下电极分别经导线4连接至测量回路，所述测量回路包括电流表6、 电压源表7、以及与电流表6连接的数据采集系统和控制系统10，电流表和电压源表回路由 双刀双掷开关5选择导通，整个系统处于严密的屏蔽罩9内，并放置于暗室内；光源8从薄膜上表面照射样品，在薄膜内形成光生空穴11和光生电子12，在双刀双掷开关5选通电流 表6时，形成外部回路中的光电流13 ；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。在测试光生电流时，将“电极/薄膜/电极”电容器结构放置在探针台上，薄膜的 两个电极通过双刀双掷开关连接到电压源表或电流表。当需要施加外加电场极化薄膜时， 双刀双掷开关连接到电压源表；当需要记录光电流时，双刀双掷开关连接到电流表，同时， 打开光源从薄膜上方照射样品表面，由数据采集系统记录光电流的大小。由于铁电薄膜的 光生电流的量级很小(通常为“纳安”量级)，为了屏蔽外部电磁场对光生电流的影响，整个 系统被放置在屏蔽罩内。整个操作过程可以手工完成，也可以由计算机自动控制。电流随时间的变化关系如附图2所示当撤去外加电场后，铁电薄膜的上下电极 被短路，这时，可以观察到一个衰减的放电电流，如图2中的1所示，这是由于电极/薄膜/ 电极电容器结构在外加电场的作用下被充电后，上下电极被短路时，电容器放电，称之为暗 电流，因为这时没有光线照射到薄膜表面。当打开光源时，电流会出现尖锐的峰值，如图2 中2所示，然后快速下降并保持在一个稳定值的附近；如果这时关闭光源，则电流则迅速降 为零，如图2中3所示；再次打开光源，电流则又上升到稳定值，但是，峰值电流非常小或观 察不到，如图2中4或5所示。这说明极化大小已经稳定在剩余极化值附近了。当撤去外加电场后，薄膜内部将会发生由空间电荷引起的退极化。如果在每次极 化薄膜以后并撤去外加电场，等待不同时间打开光源照射薄膜表面，此时薄膜内部的退极 化程度应该有所不同，表现为峰值电流的差异；一直到等待时间足够长，由空间电荷引起的 退极化过程已经完成，这时，打开光源照射薄膜表面，所观察到的峰值电流应该对应于光生 载流子引起的退极化，并且该退极化过程与时间无关，表现在峰值电流不发生改变。实施例二 利用实施例一的测量系统对PZT(锆钛酸铅)铁电薄膜的退极化时间进 行测量。附图3中曲线表示Pt/PZT/Pt电容器结构的光电流随时间变化的关系曲线。图3 中的曲线1表示，撤去外加电场后，立即打开光源(用Os表示)，这时，薄膜内部的空间电荷 引起的退极化还来不及发生，所以峰值电流最大；曲线2表示再次极化薄膜并撤去外加电 场后，等待10秒后再打开光源，峰值电流有所减低，表明薄膜内部已经发生一定程度的退 极化；依次类推，一直到等待450秒或更长时间后(曲线8和曲线9)，峰值电流不再随着时 间的变化而改变，该峰值电流对应于光生载流子引起的退极化，这说明由空间电荷引起的 退极化过程已经完成，该过程所需的时间为450秒。实施例三利用实施例一的测量系统对BNT(钛酸铋钕)铁电薄膜的退极化时间进 行测量。 附图4中曲线表示Pt/BNT/Pt电容器结构的光电流随时间的变化关系曲线。该BNT 薄膜比实施案例一中的PZT薄膜具有更大的空间电荷密度，这一点可以从这两种薄膜的漏 电流曲线上表现出来，如图5所示。图5中的1、2分别表示BNT、PZT薄膜的漏电流曲线，可 以看到，BNT薄膜漏电流大于PZT薄膜，这意味着BNT薄膜的空间电荷密度大于PZT薄膜。
图4中的光电流曲线的测量过程与实施案例一类似，唯一的差别是等待时间的差 异，主要是考虑BNT薄膜的空间电荷密度大于PZT薄膜，退极化过程比较快，所以时间间隔 密集一些。从图4可以看到，在撤去外加电场并等待150秒后(曲线7)，峰值电流不再发生改变，意味着该BNT薄膜内部由空间电荷引起的退极化过程所需的时间为150秒。
实施例二和实施例三中，分别采用了 PZT (锆钛酸铅)、BNT (钛酸铋钕)薄膜，上下 电极材料为Pt金属。这些实施例仅用来示例本发明的方法，本领域技术人员据此可以采用 本发明的方法，对其他铁电材料或电极材料构成的“电极/铁电薄膜/电极”结构，测量由 空间电荷引起的退极化时，不受铁电薄膜材料、电极材料的限制。
权利要求
一种铁电薄膜退极化时间的测量方法，其特征在于包括下列步骤(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。
全文摘要
本发明公开了一种铁电薄膜退极化时间的测量方法，其特征在于包括下列步骤(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及暗室中；(2)在上述电容器结构上施加外加电场；(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。本发明的方法能测量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。
文档编号G01R31/00GK101915878SQ20101023141
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月16日 优先权日2010年7月16日
发明者方亮, 曹大威, 沈明荣, 董雯, 郑分刚 申请人:苏州大学