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铁电材料及铁电性的介绍

日期:2021-01-11浏览:57次

  铁电存储器能够实现存储功能的核心是铁电材料及其具备的铁电性,利用该特性制备成铁电电容,便可以实现存储功能。以铁电电容为核心,设计铁电存储器的基本存储单元,并结合译码电路、驱动电路、灵敏放大器等电路设计铁电存储器的存储阵列。铁电存储器的存储阵列、字线电压控制模块、时序控制逻辑、数据传输逻辑等模块共同构成了铁电存储器。
 
  一般认为,铁电材料的研究开始于 1920 年,法国科学家 Valasek 在研究中发现,罗息盐(即酒石酸钾钠,NaKC4H4O6·4H2O)在施加外电场 E 的作用下,其极化强度 P 随着外电场 E 的改变产生图 2-1 所示的滞后回线的关系,是一种非常特殊的非线性介电行为。由于图 2-1 中的极化强度-电压的曲线与铁磁体的磁滞回线相似,因此铁电材料的极化强度-电压的曲线也被成为电滞回线,拥有这种特性的晶体被称为“铁电体”,相应的材料被称为“铁电材料”。而铁电材料不止拥有铁电性,它还拥有良好的压电性、热释电性、光电效应以及声光效应等,所以铁电材料受到业界各行业的广泛关注。
 
  铁电材料是指材料本身具有自发极化特性,且材料发生自发极化时极化方向会有 2 个或多个可能取向,并且同时其极化强度随着外加电场的变化会随之改变的极性电介质。在图 2-1 中,假设铁电材料初始极化强度为 0,那么在外加电压情况下,其极化强度会随电压增加而增加,当外部电压到达 Vsat 时,极化强度到达Psat。Psat 又被成为最大极化强度或者饱和极化强度(Saturated polarization),Vsat 又被称为最大极化电压或饱和极化电压(Saturated voltage)。但是当外部电压被撤销时,其极化强度并不会随着外部电压降低而变为 0,而是随着外部电压的变为 0,其极化强度会变为 Pr,即剩余极化强度(Residual polarization)。随着外部电压的继续降低,当外部电压到达-Vc 时,铁电材料的极化强度变为 0,该外部电压 Vc 被称为矫顽电压(Coercive voltage)。当电压降至-Vsat 时,铁电材料极化强度会到达-Psat,即与 Psat 相反的极化强度,当电压从-Vsat 变为+Vsat 时,极化强度便会沿着与上部分曲线呈中心对称的下部分曲线变化。这便是电滞回线的特性,一般认为电滞回线是铁电材料的基本特性。
 
  但是,仅凭电滞回线判断铁电材料并不完全jing准。原因一是电介质本身具有一定的非线性电阻,或者电介质材料的介电常数并非固定值,而是与外加电场强度相关;二是一些半导体铁电材料本身具有较大的漏电流,使用传统的 Sawyer-Tower电路方法难以观测到电滞回线。因此,测试得到的电滞回线只能被认为是铁电材料的重要特征之一。近年来,较大漏电流造成的铁电材料电滞回线难以测量的技术障碍已经被科学家突破,科学家通过串联铁电电容和外接电阻的新电路测试法成功测得部分铁电材料的电滞回线。而从微观结构来看,铁电体可以有以下定义:铁电体晶胞具有大小相等的非零电偶极矩;且晶胞具有两个或两个以上的结晶学等效方向,电偶极矩可以沿其中任一个方向取向。即在外电场作用下,电偶极矩可以由原来方向转变到其他结晶学等效方向。

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