铁电薄膜材料及其应用(符春林著)思维导图
10-11-2010铁电存储器
FRAM存储单元主要有以下几种结构： 存储单元主要有以下几种结构： 存储单元主要有以下几种结构
在这些结构中， 2T-2C结构已经商业化而且能保证 在这些结构中， 2T-2C结构已经商业化而且能保证 FRAM的可靠性 但成本较大，集成度不高； 1T的可靠性， FRAM的可靠性，但成本较大，集成度不高； 1T-1C 结构是实现高密度的重要条件； 1T结构由于具有 结构是实现高密度的重要条件； 1T结构由于具有 非破坏性读出的特点及小的单元尺寸， 非破坏性读出的特点及小的单元尺寸，将是未来发 展的方向。 展的方向。
组会报告
刘智鹏
铁
电
存
储
器
《铁电薄膜材料及其应用》符春林 著 铁电薄膜材料及其应用》
存
储
器
存储器在半导体行业就是一块万能膏药， 存储器在半导体行业就是一块万能膏药，或 者嵌入到SoC里或者当做单独的存储元件， SoC里或者当做单独的存储元件 者嵌入到SoC里或者当做单独的存储元件，有 数据计算和程序存储的要求就有它的用武之 地。当前的主流半导体存储器可以简单的分 成易失性和非易失性两部分，它们各有所长， 成易失性和非易失性两部分，它们各有所长， 应用领域也因这一特性而是泾渭分明。 应用领域也因这一特性而是泾渭分明
易失性的存储器包括静态存储器SRAM和动态存 易失性的存储器包括静态存储器SRAM和动态存 SRAM 储器DRAM SRAM和DRAM在掉电的时候均会失去 DRAM， 储器DRAM，SRAM和DRAM在掉电的时候均会失去 保存的数据，但是RAM 类型的存储器易于使用、 保存的数据，但是RAM 类型的存储器易于使用、 性能好。 性能好。非易失性存储器在掉电的情况下并不 会丢失所存储的数据。 会丢失所存储的数据。然而所有的主流的非易 失性存储器均源自于ROM 只读存储器）技术， ROM（ 失性存储器均源自于ROM（只读存储器）技术， 包括已经几乎不再使用的EPROM EEPROM和正 EPROM、 包括已经几乎不再使用的EPROM、EEPROM和正 当红的FLASH 它们写入速度慢， FLASH， 当红的FLASH，它们写入速度慢，擦写的次数 明显少于易失性的存储器。 明显少于易失性的存储器。
铁电和反铁电以及钙钛矿结构的概念 ppt课件
ppt课件
5
典型的铁电材料
铁电材料概括起来可以分为两大类： a.一类以磷酸二氢钾 KH2PO4 --简称KDP--为代
表，具有氢键，他们从顺电相过渡到铁电像是 无序到有序的相变； b.另一类则以钛酸钡为代表，从顺电相到铁电相 的过渡是由于其中两个子晶格发生相对位移。
ppt课件
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钛酸钡的晶体结构图和铁电相变 图
ppt课件
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换能应用
从反铁电到铁电的相变可以由于温度变化、提 高电场或改变压力形式而发生。材料在相变过 程中会发生体积变化。从立方顺电相或反铁电 相向铁电相转变，都伴随着体积的增加。这样， 利用电场强迫反铁电到铁电的相变，就会因晶 胞几何体积的变化把电能转换为机械能。
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反铁电陶瓷
ppt课件
热释电效应：由于温度的变化引起极化状态改 变的现象。
光折变效应：在光场的作用下使材料中的折射 率发生了可逆的变化的现象。
ppt课件
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铁电体各种性质的应用
1. 铁电性: 铁电场效应晶体管FFET 2. 介电性:大容量电容\可调谐微波器件 3. 压电性:压电传感器\换能器\马达 4. 电光效应:光开关\光波导\光显示器件 5. 声光效应:声光偏转器 6. 光折变效应:光调制器件\光信息存储器件 7. 热释电效应:非致冷红外焦平面阵列
ppt课件
7
典型的反铁电材料
1. NH4H2PO4型（包括NH4H2AsO4及氘代盐等 ）； 2. （NH4）2SO4型（包括NH4HSO4 及NH4LiSO4
等 ）； 3. （NH4）2H3IO6型（包括Ag2H3IO6 等）； 4. 钙钛矿型（包括NaNbO3、PbZrO3、PbHfO3、Pb
铁电材料的特性及应用综述
铁电材料的特性及应用综述孙敬芝（河北联合大学材料科学与工程学院河北唐山 063009）摘要：铁电材料具有良好的铁电性、压电性、热释电以及性光学等特性以及原理，铁电材料是具有驱动和传感2 种功能的机敏材料, 可以块材、膜材(薄膜和厚膜) 和复合材料等多种形式应用, 在微电子机械和智能材料与结构系统中具有广阔的潜在应用市场。
关键词：铁电材料；铁电性；应用前景C haracteristics and Application of FerroelectricmaterialSun Jingzhi( Materials Science and Engineering college, Hebei United University Tangshan 063009,China )Abstract:Ferroelectric material has good iron electrical, piezoelectric , pyroelectric and nonlinear optical properties, such as a driver and sensing two function piezoelectric materials, can block material, membrane materials (film and thick film) and the compound Material of a variety of forms such as application, in microelectromechanical and intelligent materials and structures in the system with vast potential application market.Keywords: ferroelect ric materials Iron electrical development trend0前言晶体按几何外形的有限对称图象, 可以分为32 种点群, 其中有10 种点群: 1, 2, m , mm 2, 4,4mm , 3, 3m , 6, 6mm , 它们都有自发极化。
铁电薄膜PPT
铁电晶体中的静态畴结构是由其总自由能最小决定。通常， 在晶体的铁电相中自由能的表示式可写为（以D为序参量）：
G1
G0
1 2
aD2
1 4
bD4
WE
WS
WW
式中WE 是静电能密度；WS 是弹性能密度；WW 是畴壁能
密度，忽略了高于四阶的幂次项。
铁电体中只会形成一定数量的电畴，以使静电能、弹性能和 畴壁能具有适当值，从而使整个晶体的自由能最小，处于稳定状 态。
在较强的交变电场作用下，铁 电体的极化强度 P 随外电场呈 非线性变化，而且在一定的温 度范围内，P 表现为电场 E的 双值函数，呈现出滞后现象。
饱和极化强度 PSA （saturation polarization） 剩余极化强度 Pr （remanent polarization） 矫顽场 Ec （coercive field）
铁电薄膜
概念、制备、性能和应用
一、基本概念
三个名词：
非中心对称（ non-centrosymmetrical） 自发极化（spontaneous polarization） 居里温度（Curie temperature，Tc）
三个概念：
晶体的压电性（Pizoelectricity） 晶体的热释电性（Pyroelectricity） 晶体的铁电性（Ferroelectricity）
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热释电材料参数
电流响应优值 电压响应优值 探测度优值
FI / C F / (C r ) FD / (C rtg )
对热释电材料的性能要求
高的热释电系数和电阻率，低的介电常数、介电损耗 和比热。对于具有铁电性的热释电材料，还要求居里点高， 以保证工作的稳定性。
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。
2021-2022学年高一化学人教版(2019)必修第一册思维导图 第三章 铁 金属材料
铁 金属材料
合金 概念 由两种或两种以上的金属与金属(或非金属)熔合而成的具有金属特性的物质 特性
混合物
没有固定的熔点
合金中各成分金属的化学性质不变 与纯金属的性能差异
具有各成分金属的优良性能
硬度及机械性能一般大于各成分金属
熔点一般低于其成分金属
常见的合金
铁合金
生铁（含碳量2%~4.3%）
钢（含碳量0.03%~2%）
碳素钢 低碳钢 中碳钢
高碳钢
合金钢 在
碳素钢中加入铬、锰、钨、镍、
钳、钴、硅等合金元素（种类多，性
能差别大） 铝合金
如硬铝，密度小、强度高，具有较强的抗腐蚀能力
新型合金
储氢合金、钛合金、耐热合金、形状记忆合金等
铝及其化合物
铝的性质
与非金属单质（氧气、氯气、硫等）反应
与非氧化性酸反应
与强碱反应
与盐溶液反应
铝的化合物两性氧化物
与强酸反应
与强碱反应两性氢氧化物
性质
与强酸反应
与强碱反应 制取 热分解 应用
净水剂、胃药等铝盐）
性质
与弱碱反应
与强碱反应
应用
净水剂（明矾）等
铁及其化合物
铁
冶炼
性质
物理性质
银白色金属，粉末为黑色，能被磁铁吸引
化学性质
与水蒸气反应
与非氧化性酸反应
与盐溶液反应 应用：铁合金等
铁的化合物 氧化物 氢氧化物
铁盐（浅绿色）
与
隔绝空气）
还原性与
等反应
检验
N aOH溶液与氯水和KSCN溶液棕黄色与
氧化性与等反应
检验
N aOH溶液与KSCN溶液
与非金属单质（氧气、氯气、硫、溴等）反应。
第4章薄膜的形成与生长ppt课件
2021/8/8
最新课件
13
◆ Ed 与Ea 的差值 Qc 称为化 学吸附热，Ea称为激活能。
◆ 化学吸附是一种激活过程。
因为Q c 大于Q p，所以只有动 能较大的气相原子才能和基
体表面产生化学吸附。
◆ 当气相原子具有的动能大 于E d 时，它将不被基体表面 吸附，通过再蒸发或解吸而 转变为气相。因此 Ed 又称为 解吸能。
最新课件
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二．表面扩散过程
入射到基体表面上的气相原子在表面上形成吸 附原子后，它便失去了在表面法线方向的动能，只 具有与表面水平方向相平行运动的动能，在表面上 作不同方向的表面扩散运动。
在表面扩散过程中，单个吸附原子间相互碰撞 形成原子对之后才能产生凝结。
凝结就是指吸附原子结合成原子对及其以后的 过程。
表面作短暂停留后再解吸蒸发（再蒸发或二 次蒸 发）； （3）与基体表面不进行能量交换，入射到基体表
面上立即反射回去。
2021/8/8
最新课件
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三种情况讨论： ➢如果入射的蒸气分子动能不是很大，碰撞到基体 表面后，在短暂的时间内即失去法线方向的分速度， 附着在基体表面成为吸附原子。
➢如果当原子通过范氏力吸附在基体表面，但可能 达不到平衡，即还保留有平行于基体表面的动能， 且同时又有来自基体的热激发时，则吸附原子将在 基体表面移动。
/ kT )
2021/8/8
最新课件
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假设 0 0 ，则吸附原子在基体表面停留时间
内所 迁移的次数N 为
N fD • a exp[(Ed ED ) / kT ]
一个吸附原子的捕获面积SD为
SD N / n0
所有吸附原子的总捕获面积为
S
铁电功能材料PPT课件
2021/3/19
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ABO3型钙钛矿晶胞结构
2021/3/19
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1. 铁电材料的钙钛矿结构
❖ 离子A、B、C的半径RA、RB、RO满足下列关系才 能组成ABO3结构： RA+RO=√2 t （RB+RO）
式中t为容差因子，可以在0.9~1.1范围内，这样A离 子半径约为1.00~1.40A，B离子半径约为0.45~0.75， 氧离子半径为1.32A。
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a 简单钙钛矿结构化合物 ABO3型
A位：+2价阳离子，如Mg2+， Ca2+，Sr2+，Ba2+，Zn2+，Pb2+等 B位：+4价阳离子，如Ti4+，Zr4+等
典型化合物： BaTiO3 ， CaTiO3 ， SrTiO3 ， PbTiO3 ， ZnTiO3 ， BaZrO3 ， PbZrO3 等
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铁电体的定义： 是指在某温度范围内具有自发极化且极 化强度可以因外电场而反向的晶体。
铁电体的两个特点是： ❖一是具有电滞回线， ❖一个是具有许多电畴。
所谓电畴就是在一个电畴范围内永久偶极矩的取向都一 致。因此凡具有电畴和电滞回线的介电材料就称为铁电体。
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1.2、晶 体 结 构
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b 复合钙钛矿结构化合物
（A1 x1 A2x2）（B1y1B2y2）O3型
其中：x1，x2分别为A1离子和A2离子化学计量比；x1+x2=1 y1，y2分别为B1离子和B2离子化学计量比；y1+y2=1
介电和铁电材料
温度引起的自发极化的改变。自发极化的改变来自于离子的位移
为热释电系数；P s 为自发极化强度；T 为温度
晶体中存在热释电效应的前提 具有自发极化，即晶体结构的 某些方向正负电荷重心不重合。 不存在对称中心，且存在与其 他极化轴不同的唯一极化轴
石英晶体不产生热释电效应示意图
第七节 热释电材料-2
思考：把各种不同颜色的颜料混合得到什么颜色？
第二节 材料发色/光的机理-1
1、原子激发和分子振动 a．原子中电子的激发跃迁。 例：当燃烧物质中含Na原子，火 焰呈黄色：Na从激发态返回基态 时，发出波长为589.6nm、589.0nm 的黄光 应用：原子发射光谱、焰火 一般固体热辐射的颜色与温度关系：
第一节 光与固体的相互作用-2
电子的两种响应行为： 电子极化：电磁波对电子运动产生微扰 电子能态跃迁：电子吸收整个光子能量，使得状态显著改变 1、金属材料 金属吸收光子后 能态的变化 由于自由电子的存 在，金属对所有的 低频电磁波（从无 线电波到紫外光） 者是不透明的，只 有对高频电磁波X 射线和 γ 射线才透 明（为什么？）
S与材料性质、微结构及其温度有关
2、不同金属的温差电动势的叠加构成闭合回路的净的热电动势
+++++
热
塞贝克系数 S 本 质上就是热电势 系数
第八节 热电材料-7
一般半导体的热电 势系数最大
铂和铂铑合金 的热电势系数 温度参考点是 273K，0.1MPa
第八节 热电材料-8
三、热电材料的应用
1、测温:热电偶 接触电动势和温差电动势共同构成两种材料构成的闭合回路的电动势
无反演对称中心的石英晶体有压电效应
第六节 压电材料-2