2022-2023学年高二物理竞赛课件：铁电薄膜矫顽场与厚度

铁电薄膜矫顽场与厚度 2 铁电薄膜矫顽场与厚度的关系目前尚无理论说明。但是铁磁薄膜中存在着相似的关系。随着膜厚减小，磁畴壁由Bloch壁（壁内自发磁化强度平行于畴壁平面）变为Neel壁（壁内自发磁化强度平行于薄膜表面），在此厚度以下，矫顽场与厚度的关系也正比于t-4/3 。在尝试任何的理论说明之前，当然最重要的是查明实验规律。 3 V0=0.2V，起源于薄膜与电极间的界面阻挡层。矫顽场Ec=2.4V/m与厚度无关。若不考虑阻挡层的影响，则得表观矫顽场Ec’=Vc/d随膜厚减小而增大。 最近，Larsen等报道，被有Pt电极的PZT膜的矫顽电压Vc与厚度的关系为 4 因而他们认为，以前报道得矫顽场随厚度得变化可能是因为表观矫顽场代替矫顽场得结果。他们实验得膜厚范围是120 – 690nm。 5 极化反转和疲劳 Fatigue 疲劳是指多次极化反转之后，可反转的极化逐渐减小。根据已有的实验结果，目前已知疲劳的起因主要有三类。 （1）内应力； （2）空间电荷； （3）电化学反应。 6 （1）内应力： 电畴的非180度转动在晶体内部形成局部应力。极化翻转中，应力来不及释放可造成微裂纹（micro-cracks），后者破坏了电场的连续性，是晶体中越来越多的极化不能被电场反转。这种机制容易解释多畴铁电体中疲劳现象严重，而单畴铁电体疲劳效应轻微。 7 （2）空间电荷：铁电体中存在空间电荷，而且极化反转是可以有电极注入载流子形成空间电荷。人们早就发现，在钛酸钡中有许多电畴不能延伸到晶片表面而中止在晶片内部，这是空间电荷的证据之一。空间电荷在极化电荷场的作用下将定向排列，对极化起到屏蔽作用，对电畴造成钉扎效(pinning effect)应，使这些极化很难参与反转过程。 8 这种机制容易解释以下一些实验事实。同一材料用固态电极时有明显的疲劳效应，用液态电极时则基本上不显示疲劳。这是因为液态电极时离子导体，既不能注入空穴，也不能注入电子。在单晶材料中，只有当两个极性相反的电场脉冲之间有时间间隔时才有明显的疲劳，时间间隔越长疲劳越明显，而用连续的方波或者正弦波是极化反转时，疲劳效应变得轻微。 9 这是因为空间电荷的弛豫过程，脉冲之间的时间间隔给空间电荷的排列提供了必要的时间，使之能对极化起到屏蔽作用。 基于缺陷在电场作用下的运动给出了一种疲劳模型。空位或杂质离子所经受的电场是外场与铁电体-电极界面出束缚电荷产生的电场之和，即： 10 式中vd时缺陷迁移速率，ρ是缺陷浓度， S是缺陷运动的熵，Q是缺陷运动的激活能，Z是化学价，q是电子电荷。B是跳跃距离（原子间距）。 在正向直流电场作用下，缺陷流密度为 11 在交流电场作用下，却先将作正负向运动。在第n个反转中，正反向缺陷流密度分别为: 式中： 编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 12 当缺陷到达晶粒间界，畴壁或铁电体-电极界面时因为势能降低，缺陷将被俘获。俘获的界面造成界面结构损伤，从而使极化减小。正向电场与随后的负向电场所得的极化大小是不同的，因此净缺陷流密度决定与内电场Ei之差。 取： $$