鐵電材料及鐵電性的介紹

鐵電存儲器能夠?qū)崿F(xiàn)存儲功能的核心是鐵電材料及其具備的鐵電性，利用該特性制備成鐵電電容，便可以實現(xiàn)存儲功能。以鐵電電容為核心，設(shè)計鐵電存儲器的基本存儲單元，并結(jié)合譯碼電路、驅(qū)動電路、靈敏放大器等電路設(shè)計鐵電存儲器的存儲陣列。鐵電存儲器的存儲陣列、字線電壓控制模塊、時序控制邏輯、數(shù)據(jù)傳輸邏輯等模塊共同構(gòu)成了鐵電存儲器。

一般認(rèn)為，鐵電材料的研究開始于 1920 年，法國科學(xué)家 Valasek 在研究中發(fā)現(xiàn)，羅息鹽（即酒石酸鉀鈉，NaKC4H4O6·4H2O）在施加外電場 E 的作用下，其極化強度 P 隨著外電場 E 的改變產(chǎn)生圖 2-1 所示的滯后回線的關(guān)系，是一種非常特殊的非線性介電行為。由于圖 2-1 中的極化強度-電壓的曲線與鐵磁體的磁滯回線相似，因此鐵電材料的極化強度-電壓的曲線也被成為電滯回線，擁有這種特性的晶體被稱為“鐵電體”，相應(yīng)的材料被稱為“鐵電材料”。而鐵電材料不止擁有鐵電性，它還擁有良好的壓電性、熱釋電性、光電效應(yīng)以及聲光效應(yīng)等，所以鐵電材料受到業(yè)界各行業(yè)的廣泛關(guān)注。

鐵電材料是指材料本身具有自發(fā)極化特性，且材料發(fā)生自發(fā)極化時極化方向會有 2 個或多個可能取向，并且同時其極化強度隨著外加電場的變化會隨之改變的極性電介質(zhì)。在圖 2-1 中，假設(shè)鐵電材料初始極化強度為 0，那么在外加電壓情況下，其極化強度會隨電壓增加而增加，當(dāng)外部電壓到達 Vsat 時，極化強度到達Psat。Psat 又被成為大極化強度或者飽和極化強度（Saturated polarization），Vsat 又被稱為大極化電壓或飽和極化電壓（Saturated voltage）。但是當(dāng)外部電壓被撤銷時，其極化強度并不會隨著外部電壓降低而變?yōu)?nbsp;0，而是隨著外部電壓的變?yōu)?0，其極化強度會變?yōu)?nbsp;Pr，即剩余極化強度（Residual polarization）。隨著外部電壓的繼續(xù)降低，當(dāng)外部電壓到達-Vc 時，鐵電材料的極化強度變?yōu)?0，該外部電壓 Vc 被稱為矯頑電壓（Coercive voltage）。當(dāng)電壓降至-Vsat 時，鐵電材料極化強度會到達-Psat，即與 Psat 相反的極化強度，當(dāng)電壓從-Vsat 變?yōu)?Vsat 時，極化強度便會沿著與上部分曲線呈中心對稱的下部分曲線變化。這便是電滯回線的特性，一般認(rèn)為電滯回線是鐵電材料的基本特性。

但是，僅憑電滯回線判斷鐵電材料并不jing準(zhǔn)。原因一是電介質(zhì)本身具有一定的非線性電阻，或者電介質(zhì)材料的介電常數(shù)并非固定值，而是與外加電場強度相關(guān)；二是一些半導(dǎo)體鐵電材料本身具有較大的漏電流，使用傳統(tǒng)的 Sawyer-Tower電路方法難以觀測到電滯回線。因此，測試得到的電滯回線只能被認(rèn)為是鐵電材料的重要特征之一。近年來，較大漏電流造成的鐵電材料電滯回線難以測量的技術(shù)障礙已經(jīng)被科學(xué)家突破，科學(xué)家通過串聯(lián)鐵電電容和外接電阻的新電路測試法成功測得部分鐵電材料的電滯回線。而從微觀結(jié)構(gòu)來看，鐵電體可以有以下定義：鐵電體晶胞具有大小相等的非零電偶極矩；且晶胞具有兩個或兩個以上的結(jié)晶學(xué)等效方向，電偶極矩可以沿其中任一個方向取向。即在外電場作用下，電偶極矩可以由原來方向轉(zhuǎn)變到其他結(jié)晶學(xué)等效方向。