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铁电材料的概述

日期:2021-03-17浏览:271次

  在我们对存储器老化进行可控性分析之前,首先需要对存储器材料有所了解。在这里,我们研究的是铁电存储材料,因而先要了解一下铁电材料。它是一种常用的电介质材料,并且它具有较高的介电常数。铁电材料在我们生活的应用十分多:因为铁电材料具有比较好的铁电性、介电性、热释电性和压电特性等等,所以它应用十分的广泛,小到生活中常见到的打火机、煤气灶,大到科学技术上的声呐、地震仪等等,当然也可以用来制作成铁电存储器。
 
  如果一定要给铁电材料下个定义,那么可以将具有铁电性的材料都称为铁电材料。因此在了解铁电材料之前先要对铁电性有所了解。我查阅资料得知铁电性是源于空间反演对称性破却的,就是指在有限温度下,材料具有两个或多个可能的取向的自发极化的现象,而且在电场作用下这种自发极化的取向可以改变。极化交互作用会导致长程序与热涨落(温度T)竞争,一旦长程序强度超越热涨落就会发生顺电-铁电相变。而当热涨落的强度超过长程序,也会发生顺电一铁电相变。简单来说,铁电材料可以由下面的图1.1表示出来,在图1.1中铁电性是由正负空间电荷中心不重合导致的电偶极矩表现。从晶体角度来解释就是说在晶体中,自发极化现象的出现会造成一个特殊的方向,使得晶胞中的原子沿着该方向产生相对位移。也正是由于原子的相对位移会导致正负电荷中心不再重合,因而形成电偶极矩。正如如图1.1所示,这样的现象就是铁电性。
 
  铁电材料之所以能用来做出铁电存储器,是因为其在电场作用下表现出来的电滞回线。如图1.2(a)所示。从图中我们可以看出在自发极化的晶体中,其均匀极化的状态不是稳定的,所以晶体将自发分成被称为“畴”的小区域。经过查阅资料我们得知可以用畴的运动来解释铁电材料在电场下表现出的电滞回线。
 
  畴的边界叫做畴壁,畴壁带有电荷。从图中的电滞回线中,我们可以看到,随着外电场由零逐渐增加,新的铁电畴成核长大,畴壁运动导*化翻转。在电场较弱时,可逆的畴壁运动占有主导地位。之后电场继续增强时,新的铁电畴成核,畴壁运动成为不可逆的,极化强度随电场的增加比线性线段要快。我们也可以看出当电场达到一定的强度值时,晶体会成为单畴的,这时候自发极化趋于饱和。此时如果再加大电场强度,总极化强度依旧会继续增大,这是因为感应极化会有所增加。反之,如果此时减小电场强度,则极化将沿曲线减少,图中可以看出在电场降为零时,材料仍然处在极化状态,极化强度为Pr,称之为自发极化。将线段外推到与极化轴相交可得自发极化Ps。如果外加电场反向,电偶极矩翻转。
 
  当电场强度E=Ec时,极化P=0,Ec称为矫顽电场强度(coercive field)。这样电场在正负饱和值之间循环一周时,极化与电场的关系如曲线所示,类似于铁磁材料的磁滞回线。    由上图1.2的(b)我们看到,把具有铁电性的材料做出三明治结构就成了铁电存储器,图中红色部分为铁电材料,并在其上下两面分别加上电极。铁电材料之所以能够做成存储器存储信息,是因为该材料在电场作用下表现出来的完全对称的电滞回线。上图1.2的(a)为单电滞回线,其中每一个状态都有与之对应的另一个状态,可以对应到存储器电路中分别表示数字电路中的0和1,也就是说有了二进制中0和1。我们都学过数字电路,知道二进制可以用来存储信息。同时也是因为该单电滞回线,铁电材料制成的存储器具有其特有的优点。因为当电场降为零时,铁电材料的极化强度为+Pr和-Pr,。在上图中可以看到极化强度不是零,所以在外加电场为0(没有外加电压)时,铁电材料依旧可以表现出二进制中的0和1,。从而铁电存储器具有非易失性(又称为非挥发性),即断电后仍然能保存数据,这是铁电存储器大的优点。
 
  我们了解到如果按读写功能分,存储器可以分为只读存储器和随机读写存储器。其中只读存储器存储的内容是固定不变的,但是它只能实现存储内容的读出而不能在其中写入数据。
 
  随机读写存储器就不一样,可以读出数据也可以写入数据。但是RAM有一个大的缺点就是一旦断电,随机读写存储器内存储的内容会消失。所以如果能应用铁电存储器的非挥发性,会是一个很大的进步。这里我们讲到的铁电存储器因为具有非挥发性,既能像随机读写存储器一样高速读写数据,又能像只读存储器一样断电后长期保存数据,是应用十分好的一类低能耗存储器。
 
  铁电材料的铁电性主要应用在铁电存储器这一方面,而其铁电材料其他方面的应用主要是源于其压电特性。铁电材料在电场下表现出电滞回线的同时,又会产生电致应变,即正压电效应和逆压电效应。图1.3(a)表示出了正压电效应:当对铁电材料施加一定的压力时,材料内的电偶极矩会受到压缩,电偶极矩因此缩短。这时压电材料(一般来说铁电材料都是压电材料,而压电材料不一定是铁电材料)为了抵制电偶极矩的缩短,会产生一定的的正负电荷,也就是说会产生电流。简单来说,正压电效应是指压电材料因为发生形变而产生电荷的现象。反之逆压电效应就是指给压电材料加上一定的电压,材料会发生形变,如图1.3(b)所示。
 
  正压电效应和逆压电效应实际应用十分的广泛,小到生活中常见的打火机,煤气灶大到地震仪以及军事中的声波等等。以打火机为例来说,当按压打火机上方时,打火机内内置的压电材料就会因为压电效应产生出电火花,进而把燃气点着。铁电材料在当今军事上对于潜艇的探测也是很重要的,我们常听说的雷达在潜艇探测这块是不能很好地发挥作用的,主要因为电磁波在海水里传播会逐渐地衰减。但是压电声纳却可以在海水里探测潜艇这方面很好地发生作用。所以说,当今军事上的潜艇探测系统更是把压电效应和逆压电效应原理发挥的*。
 
  由上面的介绍,我们对铁电材料有了初步的了解。可以看出铁电材料在生活中的应用很广泛。

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