材料的介电性能--铁电性能（五）一e测试

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材料的介电性能--铁电性能（五）

2021-12-30 17:09:38 0 3294

一、研究背景

晶体的铁电性发现距今正好一个世纪，对全世界都产生了巨大影响。以钛酸钡（BT）、钛酸铅（PT）、锆钛酸铅（PZT）、钛酸锶钡（BST）、铌镁酸铅−钛酸铅（PMN−PT）等为代表的铁电材料由于其独特的力、电、热、光、声和化学等性能以及它们之间相互耦合或转换的功能（介电/压电/热释电/扰曲电效应、线性/非线性/光伏/光催化/光激发效应、声子重整化效应等），广泛应用于从日常生活到尖端科技的多个领域。
在各个应用领域已经发挥着不可替代作用的铁电材料在研究上依然活跃。特别是在航空航天、核能发电等重大装备技术领域，作为高温传感/驱动/能量收集器件的敏感材料。

二、性能特征

1.电滞回线

电滞回线(ferroelectric hysteresis loop)是铁电畴在外电场作用下运动的宏观描述。铁电体的极化随着电场的变化而变化，极化强度与外加电场之间呈非线性关系。

铁电体的电滞回线

当电场施加于晶体时，沿电场方向的电畴扩展，晶体极化程度变大；而与电场反平行方向的电畴则变小。这样，极化强度随外电场增加而增加，如图中OA段曲线。

在电场很弱时，极化线性地依赖于电场，此时可逆的畴壁移动占主导地位。当电场增强时，新畴成核，畴壁运动成为不可逆的，极化随电场地增加比线性快。

当电场强度继续增大，达到相应于B点的值时，使晶体电畴方向都趋于电场方向，类似于单畴，极化强度趋于饱和。由于感应极化的增加，总极化仍然有所增加（BC段）。

此时再增加电场，P与E成线性关系（类似于单个弹性偶极子），将这线性部分外推至E=0时的情况，此时在纵轴上的截距称为饱和极化强度或自发极化强度P。实际上P为原来每个单畴的自发极化强度，是对每个单畴而言的。

如果电场自图中C处开始降低，晶体的极化强度亦随之减小。在零电场处，仍存在极化，称为剩余极化强度P（remanent polarization）。这是因为电场减低时，部分电畴由于晶体内应力的作用偏离了极化方向。但当E=0时，大部分电畴仍停留在极化方向，因而宏观上还有剩余极化强度。由此，剩余极化强度P是对整个晶体而言。

当反向电场继续增大到某一值时，剩余极化才全部消失，此时电场强度称为矫顽场E（coercivefield）。反向电场超过E，极化强度才开始反向。如果它大于晶体的击穿场强，那么在极化强度反向前，晶体就被击穿，则不能说该晶体具有铁电性。

以上过程使电场在正负饱和值之间循环一周，极化与电场地关系如曲线所示，此曲线称为电滞回线。

由于极化的非线性，铁电体的介电常数不是常数。一般以OA在原点的斜率来代表介电常数。所以在测量介电常数时，所加的外电场（测试电场）应很小。

另外，有一类物体在转变温度以下，邻近的晶胞彼此沿反平行方向自发极化。这类晶体叫反铁电体。反铁电体一般宏观无剩余极化强度，但在很强的外电场作用下，可以诱导成铁电相，其P-E曲线呈双电滞回线。反铁电体也具有临界温度-反铁电居里温度。在居里温度附近，也具有介电反常特性。

2.居里温度(T_c,Θ_c)

当晶体从高温降温经过Θ_c时，要经过一个从非铁电相(有时称顺电相)到铁电相的结构相变。温度高于Θ_c时，晶体不具有铁电性，温度低于Θ_c时，晶体呈现出铁电性。通常认为晶体的铁电结构是由其顺电结构经过微小畸变而得，所以铁电相的晶格对称性总是低于顺电相的对称性。如果晶体存在两个或多个铁电相时，只有顺电-铁电相变温度才称为居里点;晶体从一个铁电相到另一个铁电相的转变温度称为相变温度或过渡温度

3.介电反常:临界特征

铁电体的介电性质、弹性性质、光学性质和热学性质等在居里点附近都要出现反常现象。其中研究的最充分的是“介电反常”。因为铁电体的介电性质是非线性的，介电常数随外加电场的大小而变，所以一般用电滞回线中在原点附近的斜率来代表铁电体的介电常数，实际测量介电常数时外加电场很小。大多数铁电体的介电常数在居里点附近具有很大的数值，其数量级可达，10⁴-10⁵，此即铁电体在临界温度的“介电反常”。

三、影响因素

a）温度

极化温度的高低影响到电畴运动和转向的难易。矫顽场强和饱和场强随温度升高而降低。极化温度较高，可以在较低的极化电压下达到同样的效果，其电滞回线形状比较瘦长。

环境温度对材料的晶体结构也有影响，可使内部自发极化发生改变，尤其是在相界处（晶型转变温度点）更为显著。若温度超过居里温度，铁电性消失。

b）极化时间和极化电压

电畴转向需要一定的时间，时间增长，极化充分，电畴定向排列更加完全，同时，也具有较高的剩余极化强度。

极化电压加大，电畴转向程度高，剩余极化变大。

c）晶体结构

同一种材料，单晶体和多晶体的电滞回线是不同的。如单晶体的电滞回线很接近于矩形，P和P很接近，而且P较高；陶瓷的电滞回线中P与P相差较多，表明陶瓷多晶体不易成为单畴，即不易定向排列。

四、研究应用

美国加州大学伯克利分校Suraj S. Cheema教授和Sayeef Salahuddin教授（通讯作者）报道了一种通过在硅上通过低温原子层沉积（ALD）生长的超薄（1 nm）Hf_0.8Zr_0.2O₂（HZO）中的铁电材料，二次谐波的产生和先进的扫描探针技术分别确定了反转对称破坏和可切换电极化的存在。相关论文以题为“Enhancedferroelectricity in ultrathin films grown directly on silicon”于2020年4月22日发表在Nature上。在超薄层状物中增强铁电性的方法为设计极化驱动存储器和铁电晶体管提供了新的思路。这项工作将寻找铁电的基本极限转移到更简单的过渡金属氧化物体系，即从钙钛矿衍生的复合氧化物转移到萤石结构的氧化物，从而稳定了超薄状态下的铁电性能。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2208-x

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