一种铁电薄膜成核可逆电畴极化强度的测量方法与流程

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RadiantPremierI/II和aixACCTTF2000analyzer等，基于改进的VirtualGround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。

技术实现要素：
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tf电压V和总串联电阻Rt作用下，通过示波器测量Rt两端的电压随时间的变化，可得到在脉冲宽度tf范围内，铁电电容器充电电流为Isw(t)，其等于电畴极化反转电流；在脉冲宽度tf之后，铁电电容器放电电流为Idis(t)；铁电电容器在脉冲宽度tf结束时的电压为：Vf＝V-RtIsw(tf)(1)其中Vf为tf时刻铁电薄膜电容器上电压，V为外加电压，Rt为电路中总串联电阻，Isw(tf)为tf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：计算得tf时刻铁电电容器充电存储电荷面密度Q(tf)，其中，S为铁电平行板电容器的电极面积；(3)、根据步骤(1)测量数据，按电容器放电电荷等于放电电流对时间积分公式：计算得预极化铁电薄膜电畴极化方向与外加电压反平行时，在铁电电容器电压Vf下铁电电容器放电电荷面密度其中，tc为铁电电容器放电结束时间；(4)、根据步骤(2)-(3)，按2倍的铁电薄膜反转电畴极化强度等于预极化铁电薄膜电畴极化方向与外加电压反平行时铁电电容器充放电电流密度对时间积分公式：计算得在铁电电容器电压Vf下，铁电薄膜反转电畴极化强度Pr(Vf)；(5)、在外加电压V作用下，脉冲宽度以步长Δt从0秒增大到铁电电容器完全充电时间tch，重复步骤(1)-(4)，可以得到预极化铁电薄膜电畴极化方向与外加电压反平行时，在不同铁电电容器电压Vf下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Pr(Vf)；(6)、预极化铁电薄膜电畴极化方向至外加电压V的平行方向，重复步骤(1)和(3)，可以得预极化铁电薄膜电畴极化方向与外加电压V平行时，在铁电电容器电压Vf下铁电电容器放电电荷面密度(7)、在外加电压V作用下，脉冲宽度以步长Δt从0秒增大到铁电电容器完全充电时间tch，重复步骤(6),可以得到预极化铁电薄膜电畴极化方向与外加电压V平行时，在不同铁电电容器电压Vf下铁电电容器放电电荷面密度(8)、采用电脉冲电滞回线测量法，得到铁电薄膜剩余极化强度Pr-s，结合步骤(5)所得不同铁电电容器电压Vf下铁电薄膜反转电畴极化强度Pr(Vf)，有公式：计算得在不同铁电电容器电压Vf下，铁电薄膜电畴反转区域的百分比率为x(Vf)，及进一步得到铁电薄膜电畴未反转区域的百分比率为1-x(Vf)；(9)、根据步骤(5)、(7)和(8)，有公式：计算得在不同铁电电容器电压Vf下，铁电薄膜成核可逆电畴极化强度Pnu(Vf)，其中，Pnu(Vf)铁电薄膜成核可逆电畴极化强度，为铁电薄膜电畴未反转区域的放电电荷面密度，为电畴反转区域放电电荷面密度，Vim为铁电薄膜印刻电压。本发明中，所述外加脉冲电压大小在0.01V-100V范围间，其脉冲宽度大小在0秒-1小时范围间；总串联电路中电阻Rt大小在100Ω－100MΩ范围内。本发明铁电薄膜成核可逆电畴极化强度的测量方法的优点是：此发明克服现有技术难以测量铁电薄膜成核可逆电畴极化强度，也无法有效控制其极化强度变化的不足。本发明方法能够适应各种情况，而且能够高精度的测量铁电薄膜成核可逆电畴极化强度，从而可以深入了解铁电薄膜成核电畴生长运动的动力学机理并应用在超高介电响应等新型器件中。附图说明图1铁电薄膜成核可逆电畴正向扩张生长及收缩示意图。图2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，然后在施加不同脉冲宽度的电压(V＝4V)下，边长100um的方块铁电电容器充放电电流随时间变化关系曲线以及相应的放电电荷面密度，其中Rt＝100Ω。图3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时，相应的铁电电容器放电电荷面密度以及铁电薄膜反转电畴极化强度随铁电电容器电压变化关系曲线图。图4采用电脉冲测量法测得铁电薄膜的P-V电滞回线图。图5铁电薄膜成核可逆电畴极化强度随铁电电容器电压变化关系曲线图。具体实施方式下文结合图示在参考实施例中更具体地描述本发明，本发明提供优选实施例，但不应该被认为仅限于在此阐述的实施例。图1为铁电薄膜成核可逆电畴正向扩张生长及收缩示意图，显示成核可逆电畴随微减或微加外加电压而相应正向收缩或扩张生长。主要说明铁电薄膜成核可逆电畴随外加电压变化的物理理论机制。本发明实施例测试所需的脉冲信号都是用Agilent81150A任意波形信号发生器信编辑，电流由LCWR6200A示波器记录，系统总串联电阻100欧姆。由信号发生器产生脉冲宽度以20ns步长依次从5ns到500ns的4V正向系列电平脉冲，由示波器记录每一个电平脉冲在测试电路系统上铁电电容器的充电电流Isw(t)及脉冲电平结束后的铁电电容器放电电流Idis(t)(如图2所示)。图2中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，然后在施加不同脉冲宽度的电压(V＝4V)下，显示铁电电容器充电过程,根据公式(1)可获取从5ns到500ns脉冲宽度结束时铁电薄膜上电压；同时根据公式(3)可具体求得相应的铁电电容器放电电荷面密度；以及根据公式(4)可具体求得相应的铁电薄膜反转电畴极化强度(如图3所示)。图3具体展示了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时，铁电电容器放电电荷面密度和铁电薄膜反转电畴极化强度随铁电电容器电压变化关系。从图中两条垂直虚线都可发现：预极化铁电薄膜电畴极化方向与外加电压处于反平行时，铁电电容器放电电荷面密度在此电压处都有峰值，并且铁电薄膜反转电畴极化强度迅速增强；然而预极化铁电薄膜电畴极化方向与外加电压处于反平行时，铁电电容器放电电荷面密度随电压变化几乎是条直线，并不存在峰值现象。图4显示采用电脉冲测量法测得铁电电容器铁电薄膜的P-V电滞回线图，并可得到铁电薄膜剩余极化强度Pr-s为24.5μC/cm2。根据公式(5)和公式(6)，最终可计算出在不同铁电电容器电压Vf下铁电薄膜成核可逆电畴极化强度Pnu(Vf),并在图5展示。