專利名稱：一種鐵電薄膜退極化時(shí)間的測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鐵電薄膜性能的測(cè)量方法，具體涉及一種利用光電流表征鐵電薄 膜退極化時(shí)間的測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
鐵電薄膜是一類重要的功能薄膜材料。鐵電材料具有介電、壓電、熱釋電、鐵電等 重要特性，可制作聲表面波器件、熱釋電探測(cè)器、鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ) 器、移相器、壓控濾波器等多種器件。同時(shí)微電子、光電子等提出了小型化、輕量化、集成化 的要求，因此鐵電薄膜的發(fā)展成為了目前高新技術(shù)研究的前沿和熱點(diǎn)之一。在鐵電材料中，幾乎所有的性能都與剩余極化的大小有關(guān)。當(dāng)外加電場(chǎng)遠(yuǎn)大于鐵 電薄膜的矯頑場(chǎng)時(shí)，薄膜內(nèi)部所有的偶極子在外加電場(chǎng)的作用下排列取向，同時(shí)，薄膜內(nèi)部 存在的空間電荷也會(huì)被吸引到薄膜的上下界面；當(dāng)外加電場(chǎng)撤去以后，由于極化束縛電荷 與空間電荷之間存在相互作用，空間電荷從界面處被拉回到薄膜內(nèi)部或至另一個(gè)界面，同 時(shí)，極化也有所減小。最終，薄膜內(nèi)部達(dá)到一種平衡狀態(tài)，極化不再改變，這就是剩余極化， 這一過程被稱為退極化。通過測(cè)量鐵電薄膜傳統(tǒng)的電滯回線，可以得到剩余極化與自發(fā)極 化的數(shù)值，而它們的比值可以反映出退極化程度的大小。但是，由于退極化過程發(fā)生在薄膜 內(nèi)部，且與空間電荷(一般主要是指氧空位)的多少有關(guān)，而空間電荷的數(shù)量很難測(cè)量，因 此，到目前為止，退極化過程的快慢還沒有辦法表征出來。傳統(tǒng)的鐵電薄膜分析方法，除了測(cè)量鐵電薄膜的電滯回線以外，還包括C-V、C-F 曲線、漏電流以及相關(guān)的微結(jié)構(gòu)表征等手段。這些方法都不能準(zhǔn)確地表征退極化時(shí)間的多 少，往往只是借助于電滯回線或漏電流來估計(jì)退極化程度的大小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種鐵電薄膜退極化時(shí)間的測(cè)量方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同材料的鐵 電薄膜的退極化時(shí)間的測(cè)量。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種鐵電薄膜退極化時(shí)間的測(cè)量方 法，包括下列步驟(1)在鐵電薄膜上分別設(shè)置上電極和下電極，構(gòu)成金屬/薄膜/金屬電容器結(jié)構(gòu)， 將測(cè)量系統(tǒng)置于電磁屏蔽罩內(nèi)，并放置于暗室中；(2)在上述電容器結(jié)構(gòu)上施加外加電場(chǎng)，以極化薄膜；(3)撤除外加電場(chǎng)，等待時(shí)間間隔T后，用光源從薄膜上方照射樣品表面，采集記 錄光電流隨時(shí)間的變化曲線；(4)從0開始逐漸增大時(shí)間間隔T，重復(fù)上述步驟⑵和(3)，分別記錄在不同的時(shí) 間間隔T下的光電流變化曲線，至光電流變化曲線中的峰值電流不再發(fā)生變化時(shí)停止；(5)光電流變化曲線中的峰值電流達(dá)到最小時(shí)的時(shí)間間隔T，即為該鐵電薄膜的 退極化時(shí)間。
上文中，增大時(shí)間間隔T的快慢，會(huì)影響測(cè)量所花的時(shí)間和測(cè)量的準(zhǔn)確性，一般 地，如果每次時(shí)間間隔增加較多，則測(cè)量的次數(shù)較少，相應(yīng)測(cè)量所花的時(shí)間較少，但測(cè)量的 準(zhǔn)確性會(huì)受到影響；反之，則可能獲得更準(zhǔn)確的測(cè)量值。相鄰測(cè)量的時(shí)間間隔的改變可以是 不均勻的，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)前幾次測(cè)量時(shí)，峰值電流的改變速度，憑實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)估計(jì) 改變時(shí)間間隔的多少。為提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，也可以在獲得的可能的退極化時(shí)間附近增加 時(shí)間間隔密度，多做幾次測(cè)量。上述測(cè)量方法可以用于表征鐵電薄膜中空間電荷引起的退極化時(shí)間。為實(shí)現(xiàn)上述 方法，采用的測(cè)量系統(tǒng)如附圖1所示，鐵電薄膜被置于上電極和下電極之間，由一雙刀雙擲 開關(guān)分別連接電流表和電壓源表，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)控制動(dòng)作并采集電流數(shù)據(jù)， 整個(gè)系統(tǒng)處于嚴(yán)密的電磁屏蔽罩內(nèi)，并放置于暗室內(nèi)；光源從薄膜上表面照射樣品；數(shù)據(jù) 記錄自動(dòng)采集，以光生電流隨時(shí)間變化的曲線為基礎(chǔ)，測(cè)量鐵電薄膜中空間電荷引起的退 極化時(shí)間。本發(fā)明的原理是當(dāng)能量大于薄膜禁帶寬度的光子入射到薄膜內(nèi)部時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大 量的光生電子空穴對(duì)，這些電子空穴對(duì)在退極化場(chǎng)的作用下被分離到薄膜的上下表面，如 果薄膜的上下電極被短路，則產(chǎn)生光電流，光電流的大小取決于極化的大小；同時(shí)，這些光 生載流子也會(huì)反作用于極化束縛電荷，從而加速退極化過程。加速過程的快慢取決于光生 載流子的數(shù)量。一般說來，空間電荷引起的退極化過程比較緩慢，而光生載流子引起的退極 化過程則是比較快的。本發(fā)明利用這兩種退極化機(jī)制，將空間電荷引起的退極化過程所需 的時(shí)間表征出來。由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明通過測(cè)量光電流與撤除外加電場(chǎng)至打開光源間的時(shí)間間隔的變化關(guān)系，獲 得了鐵電薄膜的退極化時(shí)間，解決了現(xiàn)有技術(shù)中不能表征退極化快慢的問題。


圖1是實(shí)施例一中的測(cè)量系統(tǒng)的示意圖；圖2是實(shí)施例一中電流隨時(shí)間的變化關(guān)系示意圖；圖3是實(shí)施例二中光電流隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線；圖4是實(shí)施例三中光電流隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線；圖5是實(shí)施例二和實(shí)施例三中的兩種薄膜的漏電流曲線。其中1、鐵電薄膜；2、上電極；3、下電極；4、導(dǎo)線；5、雙刀雙擲開關(guān)；6、電流表；7、 電壓源表；8、光源；9、屏蔽罩；10、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；11、光生空穴；12、光生電子； 13、外部回路中的光電流。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述實(shí)施例一參見圖1所示，一種鐵電薄膜退極化時(shí)間的測(cè)量系統(tǒng)，包括鐵電薄膜1、 上電極2、下電極3，上、下電極分別經(jīng)導(dǎo)線4連接至測(cè)量回路，所述測(cè)量回路包括電流表6、 電壓源表7、以及與電流表6連接的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)10，電流表和電壓源表回路由 雙刀雙擲開關(guān)5選擇導(dǎo)通，整個(gè)系統(tǒng)處于嚴(yán)密的屏蔽罩9內(nèi)，并放置于暗室內(nèi)；光源8從薄膜上表面照射樣品，在薄膜內(nèi)形成光生空穴11和光生電子12，在雙刀雙擲開關(guān)5選通電流 表6時(shí)，形成外部回路中的光電流13 ；數(shù)據(jù)記錄自動(dòng)采集，以光生電流隨時(shí)間變化的曲線為 基礎(chǔ)，測(cè)量鐵電薄膜中空間電荷引起的退極化時(shí)間。在測(cè)試光生電流時(shí)，將“電極/薄膜/電極”電容器結(jié)構(gòu)放置在探針臺(tái)上，薄膜的 兩個(gè)電極通過雙刀雙擲開關(guān)連接到電壓源表或電流表。當(dāng)需要施加外加電場(chǎng)極化薄膜時(shí)， 雙刀雙擲開關(guān)連接到電壓源表；當(dāng)需要記錄光電流時(shí)，雙刀雙擲開關(guān)連接到電流表，同時(shí)， 打開光源從薄膜上方照射樣品表面，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄光電流的大小。由于鐵電薄膜的 光生電流的量級(jí)很小(通常為“納安”量級(jí))，為了屏蔽外部電磁場(chǎng)對(duì)光生電流的影響，整個(gè) 系統(tǒng)被放置在屏蔽罩內(nèi)。整個(gè)操作過程可以手工完成，也可以由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。電流隨時(shí)間的變化關(guān)系如附圖2所示當(dāng)撤去外加電場(chǎng)后，鐵電薄膜的上下電極 被短路，這時(shí)，可以觀察到一個(gè)衰減的放電電流，如圖2中的1所示，這是由于電極/薄膜/ 電極電容器結(jié)構(gòu)在外加電場(chǎng)的作用下被充電后，上下電極被短路時(shí)，電容器放電，稱之為暗 電流，因?yàn)檫@時(shí)沒有光線照射到薄膜表面。當(dāng)打開光源時(shí)，電流會(huì)出現(xiàn)尖銳的峰值，如圖2 中2所示，然后快速下降并保持在一個(gè)穩(wěn)定值的附近；如果這時(shí)關(guān)閉光源，則電流則迅速降 為零，如圖2中3所示；再次打開光源，電流則又上升到穩(wěn)定值，但是，峰值電流非常小或觀 察不到，如圖2中4或5所示。這說明極化大小已經(jīng)穩(wěn)定在剩余極化值附近了。當(dāng)撤去外加電場(chǎng)后，薄膜內(nèi)部將會(huì)發(fā)生由空間電荷引起的退極化。如果在每次極 化薄膜以后并撤去外加電場(chǎng)，等待不同時(shí)間打開光源照射薄膜表面，此時(shí)薄膜內(nèi)部的退極 化程度應(yīng)該有所不同，表現(xiàn)為峰值電流的差異；一直到等待時(shí)間足夠長(zhǎng)，由空間電荷引起的 退極化過程已經(jīng)完成，這時(shí)，打開光源照射薄膜表面，所觀察到的峰值電流應(yīng)該對(duì)應(yīng)于光生 載流子引起的退極化，并且該退極化過程與時(shí)間無關(guān)，表現(xiàn)在峰值電流不發(fā)生改變。實(shí)施例二 利用實(shí)施例一的測(cè)量系統(tǒng)對(duì)PZT(鋯鈦酸鉛)鐵電薄膜的退極化時(shí)間進(jìn) 行測(cè)量。附圖3中曲線表示Pt/PZT/Pt電容器結(jié)構(gòu)的光電流隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線。圖3 中的曲線1表示，撤去外加電場(chǎng)后，立即打開光源(用Os表示)，這時(shí)，薄膜內(nèi)部的空間電荷 引起的退極化還來不及發(fā)生，所以峰值電流最大；曲線2表示再次極化薄膜并撤去外加電 場(chǎng)后，等待10秒后再打開光源，峰值電流有所減低，表明薄膜內(nèi)部已經(jīng)發(fā)生一定程度的退 極化；依次類推，一直到等待450秒或更長(zhǎng)時(shí)間后(曲線8和曲線9)，峰值電流不再隨著時(shí) 間的變化而改變，該峰值電流對(duì)應(yīng)于光生載流子引起的退極化，這說明由空間電荷引起的 退極化過程已經(jīng)完成，該過程所需的時(shí)間為450秒。實(shí)施例三利用實(shí)施例一的測(cè)量系統(tǒng)對(duì)BNT(鈦酸鉍釹)鐵電薄膜的退極化時(shí)間進(jìn) 行測(cè)量。 附圖4中曲線表示Pt/BNT/Pt電容器結(jié)構(gòu)的光電流隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線。該BNT 薄膜比實(shí)施案例一中的PZT薄膜具有更大的空間電荷密度，這一點(diǎn)可以從這兩種薄膜的漏 電流曲線上表現(xiàn)出來，如圖5所示。圖5中的1、2分別表示BNT、PZT薄膜的漏電流曲線，可 以看到，BNT薄膜漏電流大于PZT薄膜，這意味著BNT薄膜的空間電荷密度大于PZT薄膜。
圖4中的光電流曲線的測(cè)量過程與實(shí)施案例一類似，唯一的差別是等待時(shí)間的差 異，主要是考慮BNT薄膜的空間電荷密度大于PZT薄膜，退極化過程比較快，所以時(shí)間間隔 密集一些。從圖4可以看到，在撤去外加電場(chǎng)并等待150秒后(曲線7)，峰值電流不再發(fā)生改變，意味著該BNT薄膜內(nèi)部由空間電荷引起的退極化過程所需的時(shí)間為150秒。
實(shí)施例二和實(shí)施例三中，分別采用了 PZT (鋯鈦酸鉛)、BNT (鈦酸鉍釹)薄膜，上下 電極材料為Pt金屬。這些實(shí)施例僅用來示例本發(fā)明的方法，本領(lǐng)域技術(shù)人員據(jù)此可以采用 本發(fā)明的方法，對(duì)其他鐵電材料或電極材料構(gòu)成的“電極/鐵電薄膜/電極”結(jié)構(gòu)，測(cè)量由 空間電荷引起的退極化時(shí)，不受鐵電薄膜材料、電極材料的限制。
權(quán)利要求
一種鐵電薄膜退極化時(shí)間的測(cè)量方法，其特征在于包括下列步驟(1)在鐵電薄膜上分別設(shè)置上電極和下電極，構(gòu)成金屬/薄膜/金屬電容器結(jié)構(gòu)，將測(cè)量系統(tǒng)置于電磁屏蔽罩內(nèi)，并放置于暗室中；(2)在上述電容器結(jié)構(gòu)上施加外加電場(chǎng)，以極化薄膜；(3)撤除外加電場(chǎng)，等待時(shí)間間隔T后，用光源從薄膜上方照射樣品表面，采集記錄光電流隨時(shí)間的變化曲線；(4)從0開始逐漸增大時(shí)間間隔T，重復(fù)上述步驟(2)和(3)，分別記錄在不同的時(shí)間間隔T下的光電流變化曲線，至光電流變化曲線中的峰值電流不再發(fā)生變化時(shí)停止；(5)光電流變化曲線中的峰值電流達(dá)到最小時(shí)的時(shí)間間隔T，即為該鐵電薄膜的退極化時(shí)間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鐵電薄膜退極化時(shí)間的測(cè)量方法，其特征在于包括下列步驟(1)在鐵電薄膜上分別設(shè)置上電極和下電極，構(gòu)成金屬/薄膜/金屬電容器結(jié)構(gòu)，將測(cè)量系統(tǒng)置于電磁屏蔽罩及暗室中；(2)在上述電容器結(jié)構(gòu)上施加外加電場(chǎng)；(3)撤除外加電場(chǎng)，等待時(shí)間間隔T后，用光源從薄膜上方照射樣品表面，采集記錄光電流隨時(shí)間的變化曲線；(4)從0開始逐漸增大時(shí)間間隔T，重復(fù)上述步驟(2)和(3)，分別記錄在不同的時(shí)間間隔T下的光電流變化曲線，至光電流變化曲線中的峰值電流不再發(fā)生變化時(shí)停止；(5)光電流變化曲線中的峰值電流達(dá)到最小時(shí)的時(shí)間間隔T，即為該鐵電薄膜的退極化時(shí)間。本發(fā)明的方法能測(cè)量鐵電薄膜的退極化時(shí)間，解決了現(xiàn)有技術(shù)中不能表征退極化快慢的問題。
文檔編號(hào)G01R31/00GK101915878SQ20101023141
公開日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2010年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月16日
發(fā)明者方亮, 曹大威, 沈明榮, 董雯, 鄭分剛 申請(qǐng)人:蘇州大學(xué)