铁电软膜理论
铁电薄膜的制备课件
铁电薄膜的特性
铁电薄膜具有较高的自发极化强度和 矫顽场强，这使得它们在电容器、存 储器、传感器和驱动器等领域具有广 泛的应用前景。
铁电薄膜还具有良好的热稳定性、化 学稳定性和机械稳定性，能够在恶劣 环境下正常工作。
铁电薄膜的应用
铁电薄膜在信息存储领域具有 广泛的应用，如铁电随机存储 器（FRAM）和铁电存储单元 （FERAM）。
例如，在氧气存在下，某些氧化物材 料可能更容易形成稳定的氧化物薄膜 ；而在氢气存在下，某些金属材料可 能更容易形成氢化物薄膜。
不同气氛下，原子或分子的活动能力 和反应速度不同，因此选择适宜的气 氛对于控制薄膜的生长和组分具有重 要意义。
因此，根据所需的铁电薄膜材料和性 能要求，选择合适的气氛是制备高质 量铁电薄膜的关键。
详细描述
铁电薄膜的电学性能包括电阻、电容、介电常数等参数。这些参数可以通过电学测量技术进行测量，如四探针测 量法、电容-电压测量法等。通过对这些参数的测量和分析，可以了解铁电薄膜的导电性能、介电性能等电学特 性，进而评估其应用潜力。
结构性能表征
总结词
结构性能是铁电薄膜质量的关键因素， 可以通过X射线衍射、电子显微镜等方法 进行表征。
脉冲激光沉积法制备铁电薄膜的步骤包括：将靶材放置在激 光器下，通过激光照射将靶材气化，然后在基底上沉积成膜 。在制备过程中，需要控制激光能量、沉积速率等参数，以 保证薄膜的质量和性能。
金属有机物化学气相沉积法
金属有机物化学气相沉积法是一种利用金属有机物作为前 驱体，通过化学反应在基底上沉积成膜的方法。该方法可 以制备高质量的铁电薄膜，但设备成本较高，且需要严格 控制反应条件。
深入研究铁电机制
深入了解铁电材料的物理机制，为提 高性能和稳定性提供理论支持。
铁电薄膜的制备、表征及应用
铁电薄膜的制备、表征及应用一、实验目的铁电薄膜的溶胶凝胶制备法作为一门综合性课程，实验过程中，利用化学、物理知识，通过对铁电薄膜制备方法的设计，了解制备方法的原理；以及通过铁电薄膜的表征，了解铁电薄膜的测试与分析，使学生在铁电薄膜制备与表征的基本技能方面得到训练，进一步了解铁电薄膜的制备方法原理和工艺，表征技术的原理和测试分析方法，巩固和深化学生课堂上学到的知识。
本课程实验部分的主要任务是使学生获得有关铁电薄膜备及表征技术有关实验原理的知识和技能，掌握铁电薄膜的制备参数与材料组分、性能之间的关系和规律，加强学生合理选用制备方法、正确选定制备工艺参数、分析测试结果等方面的能力。
二、实验原理及方法2.1 实验原理溶胶-凝胶法(Sol-gel)作为CSD 法的一种，属于化学溶液沉积法。
Sol-gel 的前驱体是金属有机化合物，有的时候也用无机盐作为前驱体，将前驱体按照一定的比例在有机的溶液中溶解，经过水解缩聚反应，最后生成三维网络状胶体。
按照匀胶、蒸发分解（除去凝胶中的有机成分和水分）、退火处理的步骤，最后得到晶态薄膜。
一般情况，Sol-gel 法的常用到的原料有金属化合物、溶剂（甲醇、乙醇、冰醋酸等）、水、催化剂（酸或弱碱）以及其他添加剂。
其中金属元素的起始原料一般都是易于水解的金属化合物，比如氯化物、硝酸盐、金属醇盐、乙酰丙酮和醋酸盐等等，这些化合物水解生成了氧化物、氢氧化物或者是聚合物，这些物质很容易发生反应，水解过程中的只有醇类物质容易挥发，但是对人体无害，因此这类物质已被广泛的用于Sol-gel 法中，成为Sol-gel 法首选的原料。
在Sol-gel 法中，不论是无机盐还是金属醇盐作为起始原料，它们的反应步骤都是：前驱物溶于水中，或者是溶于有机溶剂中，最后形成均匀溶液。
溶质与溶剂发生水解或是醇解反应，反应生成物聚集成1 nm 左右的粒子，并且形成溶胶，最后经蒸发干燥转变成凝胶。
基本反应原理如下：(1) 溶剂化：金属阳离子M z +(z 为M 离子的价数)吸收水分子，并形成溶剂单元()2M H O ，在这过程中释放H +，用来保持它的配位数：()()()()1221M H O M H O OH H +-++-→+z z n n (1)如果在上述反应中，有别的离子进入，就有可能发生聚合反应，这个反应十分复杂。
铁电材料及其应用
铁电薄膜的应用
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声表面滤波器(Surface Acoustic Wave Filter)
SAW换能器
热释电探测器
存储器
声表面滤波器(Surface Acoustic Wave Filter)
压电基片
吸声材料
声表面滤波器的一般结构示意图
SAW换能器
声表面波吸收器
叉指电极结构
压电基片
• 晶体在发生顺电-铁电相变或其它极化状态发生变化
的结构相变时，晶体的一系列物理性质发生反常变
化。例如晶体的介电性质、弹性、压电性、光学性
质、热学性质等大都出现明显的变化。晶体在相变
点附近发生的各种性能反常变化通称为临界现象。
顺电相的介电常数遵循居里－外斯定律
C
T Tc
C：居里－外斯常数；Tc：居里－外斯温度
在晶体中，如果晶胞中正负电荷中心不重合，
即每一个晶胞具有一定的固有偶极矩，由于
晶体结构的周期性和重复性，晶胞的固有偶
极矩便会沿同一方向排列整齐，使晶体处于
高度极化状态。这种在无外电场作用下存在
的极化现象称为自发极化
铁电材料
压电材料
铁电材料的发展历史和现状
➢罗息盐时期—发现铁电性
➢KDP时期—热力学理论
是说，示波器垂直幅度与电位移D（或极化
强度P）成正比。
水平致偏电极则接到电位器W的滑动接点上，
由于C>>Cx，故U>>U1，因此水平致偏电极之
间的水平幅度电压Ux正比于试样两端的电压
U1，而试样两端的电场强度E=U1/d，因此在
示波器上可以观察到P-E（或D-E）曲线，即
向电子材料与元件前沿迈进——记华中科技大学电子科学与技术系副主任吕文中教授
■一股不平百。
科仅孺矢向电子材料与元件前沿迈进——记华中科技大学电子科学与技术系副主任吕文中教授陶瓷、电阻．天线．元件……正是这些看似微不足道的材料和元器件奠定了电子产业的基础，为电子产品提供了高性能化的动力。
近十年来．吕文中教授课题组在电子陶瓷材料领域进行了深入研究，在ＧＰＳ用宽频带．耐高温．复杂形状微波介质陶瓷天线方面做出了许多创新工作．采用新型铁电移相器降低了相控阵雷达的成本，发明了电滞回线测试仪，完成了后膛弹处废生产线的自动化，在元器件及电子技术领域取得了丰硕的成果。
一“寸”丹心：寻求不断的突破电子陶瓷是电子材料领域十分活跃的一个分支．有很多新型元器件广泛应用于通信、控制．武器装备等行业。
十余年来．吕文中教授瞄准国防需求，满腔热情地为国防事业服务，在电子陶瓷元件领域孜孜以求．不断寻求新的突破。
例如．复杂形状的电子陶瓷天线的制备一直是该研究领域的一个难题．尽管可以通过各种成型技术控制陶瓷生坯的形状，但是经过高温烧结后，由于材料收缩的不一致性，很难保证复杂形状天线最终的精密尺寸要求。
吕文中带领下的科研团队另辟蹊径，通过研究材料的机械性能而成功地避开了复杂的精密成型技术，保证了天线尺寸的精密控制，所研制的天线已批量使用在国内某重点型号导弹上，为国防事业做出了较大贡献。
在相控阵雷达天线移相器用ＢＳＴ铁电材料领域．他们更是充分运用了自己独到的技术方法：利用稀土元素添加剂．有效地解决了材料损耗与介电常数协调率之间的矛盾。
其所得到的综合性能较好的铁电材料已提供给国内某军工单位使用。
该军工单位利用他们提供的铁电材料制备出的相控阵雷达天线阵单元的损耗量接近国外先进水平。
此外，吕文中教授课题组在ＳＭＣ（表面贴装元件）．ＬＴＣＣ（低温共烧陶瓷）方面也做了大量工作，比如他们开发的叠层文／陈晨ＺｎＯ压敏电阻不但性能指标达到国际同类先进水平，其烧结温度更是降ｔＥ至Ｕ８５０。
Ｃ，有望带动国内电子陶瓷元件产业跨入国际先进行列。
材料物理09 铁电薄膜
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7 铁电薄膜的发展展望
(6)铁电薄膜微观特性的表征，及其与宏观特性的对 应关系尚不清楚。 随着纳米科学技术的发展，制备纳米级铁电薄膜 已引起人们的重视，但是，如何表征纳米铁电薄膜 的特征，尚不十分清楚，需要发展新型的分析表征 手段和相关仪器，才有可能得到解决。这类纳米尺 度的特性与测出的宏观性能(特别是电学性能)的关系， 更有待深入的理论研究和实验验证。
Shaanxi University of Science & Technology
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7 铁电薄膜发展展望
(4)铁电疲劳与老化限制了铁电薄膜的广泛应用。 尽管人们已找出疲劳效应小的铁电薄膜材料，如 SBT，但铁电疲劳和老化仍限制着铁电薄膜器件的 广泛应用。此外，对铁电体的开关特性而言，没有 精确的电压阀值，而且开关特性及与之相关的开关 电压和剩余极化还与铁电薄膜的疲劳和老化特性密 切相关，这更促使人们急切解决铁电薄膜的疲劳和 老化问题。
School of Materials Science & Engineering, 2011
铁电薄膜
Ferroelectric Thin Film
陕西科技大学材料科学与工程学院 授课教师：蒲永平
pu@physik.uni-halle.de
1 铁电薄膜的定义
具有铁电性、且厚度在数十纳米至数微米的薄膜材料
Shaanxi University of Science & Technology
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One case
MFIS(Metal/Ferroelectric /Insulator/Semiconductor) 制备一个MFIS结构的无铅铁电薄膜场效应晶体管 的原型器件，并对它的电学性能进行表征。
铁电材料PPT幻灯片课件
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压电陶瓷
声马达是压电陶瓷应用中一个 引人注目的新领域,它是利用压 电陶瓷的逆压电效应,直接把电 能转换成机械能输出而无需电 磁线圈的新型电机，与普通电 磁马达相比，它具有结构简单 、启动快、体积小、功耗低等 特点。另外，由于它是从电能 直接转换为机械能而不通过磁 电转换，因此，不产生磁干扰 也不怕磁干扰。
，擦写次数低,写数据功耗大等缺点。
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FeRAM器件结构
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铁电存储器（MFSFET）
MFS(Metal Ferroelectric –Semiconductor )FET
在MOS中用铁电薄膜（F） 代替二氧化硅栅氧化物薄 膜（O）构成MFSFET场 效应管
由于极化滞后，漏电流展 现两种状态：开，关
Kbit和1Mbit等密度。
非易失性记忆体掉电后数据不丢失。可
是所有的非易失性记忆体均源自ROM技术。
你能想象到,只读记忆体的数据是不可能修改
的。所有以它为基础发展起来的非易失性记
忆体都很难写入，而且写入速度慢，它们包
括EPROM（现在基本已经淘汰）,EEPROM
和Flash，它们存在写入数据时需要的时间长
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ABO3型钙钛矿晶胞结构
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铁电材料的分类
（1）结晶化学分类
含有氢键的晶体：磷酸二氢钾（KDP）、三甘氨酸硫酸盐（TGS）、罗息盐
（RS）等。这类晶体通常是从水溶液中生长出来的，故常被称为水溶性铁电体，
又叫软铁电体；
（Li2双O氧-N化b2物O晶5）体等：，如这B类aT晶iO体3（是B从aO高-T温iO熔2）体、或K熔N盐bO中3（生K长2出O-来N的b2，O5又）称、为L硬iNb铁O电3 体．它们可以归结为ABO3型，Ba2+，K+、Na+离子处于A位置，而Ti4+、Nb6+、 Ta6+离子则处于B位置。
固态相变铁电材料的相变机理
态相变铁电材料的相变机理1.1固态相变分类相变是指，外界条件（温度或压强）做连续变化时，物质聚集状态的突变。
关于相变可以提出三个方面的问题：（1）相变发生的临界条件和方向一一相变热力学（宏观上揭示相变过程的起始和终结）；（2）相变进行的方式一一相变动力学（微观分子运动，决定了相变过程的快慢，引入时间尺度）；（3）相变产物的结构特征一一相变结构学1.1.1热力学角度分类从热力学角度考虑，可以把单元系的相变可分为一级相变、二级相变以及更高级的相变。
一级相变存在比容和比嫡，这些热力学的状态量的间断，他们对应热力学势函数的一阶导数的间断。
对于某一个化学组分不变的单元系统，以及每一相存在相应的Gibbs自由能函数，其表达式可以写成：T） = U i- TS\ + PV t/ = 1,2一级相变，是指当由1变成2相时，有G1二G2,但当自由能的一阶偏导数不相等，在相变温度Tc时：因此，一级相变时，具有体积和嫡（及焙）的突变，即焙的突变一定程度上表示了存在相变潜热的吸收或释放。
一级相变过程中，可以出现两相共存（过冷、过热亚稳态），其中母相为亚稳相，且一级相变是相变滞后的。
二级相变，是由1相转变为2相时，有G1二G2,而且自由能的一阶偏导数相等，但自山能的二阶偏导数不相等。
物理上的“二级相变（乂称连续相变）”, “一级相变（又称不连续相变）”1.1.2相变动力学角度分类相变划分为匀相转变，和非匀相转变。
匀相转变在相变过程中，没有明确的相界（即没有新相的成核长大过程），相变是在整体中均匀的进行。
匀相转变的特点是，母相对非局域的无限小涨落表现出失稳，无需形核（无核相变）；匀相相变既包括二级相变以及包括一级相变。
非匀相转变，则是通过新相的成核生长过程来实现的，相变过程中母相和新相共存，所以为非均相过程。
非匀相转变始于程度大并且范围小的相起伏，即经典的形核-长大型相变。
绝大多数的一级相变与晶格类型的变化有关，属于非匀相转变。
铁电薄膜的介电性质
铁电薄膜的介电性质董云峰;崔莲【摘要】Based on the soft mode theory under the mean field approximation,the dynamical behaviors of the temperature dependence of the real(ε ′) and imaginary(ε ″) parts of permittivity of a ferroelectric thin film with surface transition layers have been studied.The results show that with the increase of the temperature,two peaks and one peak of the ε ′ and ε ″ occur,respectively.When the enhance of the action of surface transition layer,the peaks of the real and imaginary parts of the average permittivity of a thin film are broadened,the peak values are declined and the peak positions shift to the lower temperature zone.%基于平均场近似的软模理论,研究了含有表面过渡层的铁电薄膜介电函数的实部ε＇和虚部ε″的随温度变化的动态特性。
实验结果表明,随着温度的升高ε＇和ε″分别出现两个峰和一个峰。
当表面过渡层的作用增大时,薄膜的平均介电常数实部和虚部的峰变宽,峰值降低而且峰位向低温区移动。
【期刊名称】《大庆师范学院学报》【年(卷),期】2012(032)006【总页数】4页(P81-84)【关键词】铁电薄膜;介电性质;软膜理论【作者】董云峰;崔莲【作者单位】大庆师范学院物理与电气信息工程学院,黑龙江大庆163712;大庆师范学院物理与电气信息工程学院,黑龙江大庆163712【正文语种】中文【中图分类】O484.40 引言铁电薄膜一直以来被人们广泛地研究，因为其可以应用于动态随机存取存储器、薄膜传感器、微波设备和红外探测器等[1]。
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在布里渊区中心频率为零的长波极限的光学波，两 类原子的运动方向相反，
当降温到某个温度时 该振动冻结，原子偏离平 衡位置的振幅成为晶态位移，原子已经进入新的平 衡位置，晶体的对称性也就发生了变化，并且形成 了沿位移轴的电偶极矩 铁电相变。 自发极化的出现联系于布里渊区中心某个光学横膜 的软化。
在布里渊区中心的光学膜中，每个晶胞中对应的离 子在同一时刻具有相同的位相，如果这种膜冻结， 每个晶胞中正负离子将保持同样的相对位移，于是 整个晶体呈现均匀的自发极化。
在布里渊区中心的声学膜，两类原子的运动方向相 同，并不伴随极性的改变，所以声学膜的冻结不可 能导致自发极化。
软膜理论的意义
软膜理论揭示了铁电相变的共性，指出铁电相变只 是结构相变的一种特殊情况。光学横膜表明正负离 子相向运动，在布里渊区中心的振动膜导致的结构 相变称为铁畸变性相变，铁电相变是铁畸变性相变 的一种。 由布里渊区中心以外某处膜的软化导致的结构相变 称为反铁畸变性相变，如软膜波矢位于布里渊区边 界，可导致反铁电相变。
铁电软膜的概念
基本概念：
布里渊区中心光学横膜的软化 铁电性的产生 软膜本征矢的冻结造成了原子的静态位 移，从而使晶体中出现自发极化。
软化的概念
软化表示频率降低。简谐振子的圆频率与力系数成 正比。力系数小，意味着软，与频率降低一致。 软化到频率为零时，原子不能回复到原来的平衡位 置 冻结或凝结。 软膜理论 晶格振动问题 从晶格势能出发 原子的运动方程 振动着的离子受到短程力（相邻离子间的弹性恢复 力）和长程库仑力的作用， 对光学横膜，频率为
铁电软膜理论
theory of soft modes
软膜理论
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铁电软膜理论的发展 铁电软膜的概念
软膜理论的意义
软膜相变的应用
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铁电软膜理论的发展
铁电体的研究始于19世纪20年代罗息盐的介电性能 的发现 40年代，铁电唯象理论建立 由于铁电性的起因与晶体结构、电子结构、长程和 短程相互作用等有 60年代铁电软膜理论出现，并基本完善，即软膜阶 段 软膜理论是铁电体微观理论的突破性进展，是在晶 格动力学范围内研究的
[ ( ) ) 2 ( Ze 0] R 0 9 v 0
2 T O
2
对光学纵膜，频率为：
[( )2 ) 0](Ze R0 9 v 0
2 T O
2
振膜频率决定等式右边两部分的贡献。 对于TO膜，这两种力具有相反的符号，在温度适当 时，它们的数值接近相等，使振动频率趋近于零， 原子偏离平衡位置的位移将被冻结，即原子进入新 的平衡位置，形成了新相，晶体由一种结构变成另 一种结构。 对于LO膜，这两部分作用力是相长的，总的作用力 不会为零，所以LO膜不会产生铁电相变。
软膜相变的应用
根据软膜理论，铁电相变和反铁电相变都应该在普 遍的结构相变理论的基础上来进行研究，从而不再 局限于只能对个别的铁电体模型进行研究。 铁电相变软膜理论提出后,人们利用中子散射、 Raman散射等方法对软膜进行实验。