鐵電材料的概述

　　在我們對存儲器老化進(jìn)行可控性分析之前，首先需要對存儲器材料有所了解。在這里，我們研究的是鐵電存儲材料，因而先要了解一下鐵電材料。它是一種常用的電介質(zhì)材料，并且它具有較高的介電常數(shù)。鐵電材料在我們生活的應(yīng)用十分多：因?yàn)殍F電材料具有比較好的鐵電性、介電性、熱釋電性和壓電特性等等，所以它應(yīng)用十分的廣泛，小到生活中常見到的打火機(jī)、煤氣灶，大到科學(xué)技術(shù)上的聲吶、地震儀等等，當(dāng)然也可以用來制作成鐵電存儲器。
 

　　如果一定要給鐵電材料下個定義，那么可以將具有鐵電性的材料都稱為鐵電材料。因此在了解鐵電材料之前先要對鐵電性有所了解。我查閱資料得知鐵電性是源于空間反演對稱性破卻的，就是指在有限溫度下，材料具有兩個或多個可能的取向的自發(fā)極化的現(xiàn)象，而且在電場作用下這種自發(fā)極化的取向可以改變。極化交互作用會導(dǎo)致長程序與熱漲落(溫度T)競爭，一旦長程序強(qiáng)度熱漲落就會發(fā)生順電-鐵電相變。而當(dāng)熱漲落的強(qiáng)度超過長程序，也會發(fā)生順電一鐵電相變。簡單來說，鐵電材料可以由下面的圖1.1表示出來，在圖1.1中鐵電性是由正負(fù)空間電荷中心不重合導(dǎo)致的電偶極矩表現(xiàn)。從晶體角度來解釋就是說在晶體中，自發(fā)極化現(xiàn)象的出現(xiàn)會造成一個特殊的方向，使得晶胞中的原子沿著該方向產(chǎn)生相對位移。也正是由于原子的相對位移會導(dǎo)致正負(fù)電荷中心不再重合，因而形成電偶極矩。正如如圖1.1所示，這樣的現(xiàn)象就是鐵電性。
 

　　鐵電材料之所以能用來做出鐵電存儲器，是因?yàn)槠湓陔妶鲎饔孟卤憩F(xiàn)出來的電滯回線。如圖1.2(a)所示。從圖中我們可以看出在自發(fā)極化的晶體中，其均勻極化的狀態(tài)不是穩(wěn)定的，所以晶體將自發(fā)分成被稱為“疇”的小區(qū)域。經(jīng)過查閱資料我們得知可以用疇的運(yùn)動來解釋鐵電材料在電場下表現(xiàn)出的電滯回線。
 

　　疇的邊界叫做疇壁，疇壁帶有電荷。從圖中的電滯回線中，我們可以看到，隨著外電場由零逐漸增加，新的鐵電疇成核長大，疇壁運(yùn)動導(dǎo)*化翻轉(zhuǎn)。在電場較弱時，可逆的疇壁運(yùn)動占有主導(dǎo)地位。之后電場繼續(xù)增強(qiáng)時，新的鐵電疇成核，疇壁運(yùn)動成為不可逆的，極化強(qiáng)度隨電場的增加比線性線段要快。我們也可以看出當(dāng)電場達(dá)到一定的強(qiáng)度值時，晶體會成為單疇的，這時候自發(fā)極化趨于飽和。此時如果再加大電場強(qiáng)度，總極化強(qiáng)度依舊會繼續(xù)增大，這是因?yàn)楦袘?yīng)極化會有所增加。反之，如果此時減小電場強(qiáng)度，則極化將沿曲線減少，圖中可以看出在電場降為零時，材料仍然處在極化狀態(tài)，極化強(qiáng)度為Pr，稱之為自發(fā)極化。將線段外推到與極化軸相交可得自發(fā)極化Ps。如果外加電場反向，電偶極矩翻轉(zhuǎn)。
 

　　當(dāng)電場強(qiáng)度E=Ec時，極化P=0，Ec稱為矯頑電場強(qiáng)度(coercive field)。這樣電場在正負(fù)飽和值之間循環(huán)一周時，極化與電場的關(guān)系如曲線所示，類似于鐵磁材料的磁滯回線。    由上圖1.2的(b)我們看到，把具有鐵電性的材料做出三明治結(jié)構(gòu)就成了鐵電存儲器，圖中紅色部分為鐵電材料，并在其上下兩面分別加上電極。鐵電材料之所以能夠做成存儲器存儲信息，是因?yàn)樵摬牧显陔妶鲎饔孟卤憩F(xiàn)出來的*對稱的電滯回線。上圖1.2的(a)為單電滯回線，其中每一個狀態(tài)都有與之對應(yīng)的另一個狀態(tài)，可以對應(yīng)到存儲器電路中分別表示數(shù)字電路中的0和1，也就是說有了二進(jìn)制中0和1。我們都學(xué)過數(shù)字電路，知道二進(jìn)制可以用來存儲信息。同時也是因?yàn)樵搯坞姕鼐€，鐵電材料制成的存儲器具有其*的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)楫?dāng)電場降為零時，鐵電材料的極化強(qiáng)度為+Pr和-Pr，。在上圖中可以看到極化強(qiáng)度不是零，所以在外加電場為0(沒有外加電壓)時，鐵電材料依舊可以表現(xiàn)出二進(jìn)制中的0和1，。從而鐵電存儲器具有非易失性(又稱為非揮發(fā)性)，即斷電后仍然能保存數(shù)據(jù)，這是鐵電存儲器大的優(yōu)點(diǎn)。
 

　　我們了解到如果按讀寫功能分，存儲器可以分為只讀存儲器和隨機(jī)讀寫存儲器。其中只讀存儲器存儲的內(nèi)容是固定不變的，但是它只能實(shí)現(xiàn)存儲內(nèi)容的讀出而不能在其中寫入數(shù)據(jù)。
 

　　隨機(jī)讀寫存儲器就不一樣，可以讀出數(shù)據(jù)也可以寫入數(shù)據(jù)。但是RAM有一個大的缺點(diǎn)就是一旦斷電，隨機(jī)讀寫存儲器內(nèi)存儲的內(nèi)容會消失。所以如果能應(yīng)用鐵電存儲器的非揮發(fā)性，會是一個很大的進(jìn)步。這里我們講到的鐵電存儲器因?yàn)榫哂蟹菗]發(fā)性，既能像隨機(jī)讀寫存儲器一樣高速讀寫數(shù)據(jù)，又能像只讀存儲器一樣斷電后長期保存數(shù)據(jù)，是應(yīng)用十分好的一類低能耗存儲器。
 

　　鐵電材料的鐵電性主要應(yīng)用在鐵電存儲器這一方面，而其鐵電材料其他方面的應(yīng)用主要是源于其壓電特性。鐵電材料在電場下表現(xiàn)出電滯回線的同時，又會產(chǎn)生電致應(yīng)變，即正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。圖1.3(a)表示出了正壓電效應(yīng)：當(dāng)對鐵電材料施加一定的壓力時，材料內(nèi)的電偶極矩會受到壓縮，電偶極矩因此縮短。這時壓電材料(一般來說鐵電材料都是壓電材料，而壓電材料不一定是鐵電材料)為了抵制電偶極矩的縮短，會產(chǎn)生一定的的正負(fù)電荷，也就是說會產(chǎn)生電流。簡單來說，正壓電效應(yīng)是指壓電材料因?yàn)榘l(fā)生形變而產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。反之逆壓電效應(yīng)就是指給壓電材料加上一定的電壓，材料會發(fā)生形變，如圖1.3(b)所示。
 

　　正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)實(shí)際應(yīng)用十分的廣泛，小到生活中常見的打火機(jī)，煤氣灶大到地震儀以及軍事中的聲波等等。以打火機(jī)為例來說，當(dāng)按壓打火機(jī)上方時，打火機(jī)內(nèi)內(nèi)置的壓電材料就會因?yàn)閴弘娦?yīng)產(chǎn)生出電火花，進(jìn)而把燃?xì)恻c(diǎn)著。鐵電材料在當(dāng)今軍事上對于潛艇的探測也是很重要的，我們常聽說的雷達(dá)在潛艇探測這塊是不能很好地發(fā)揮作用的，主要因?yàn)殡姶挪ㄔ诤Ｋ飩鞑饾u地衰減。但是壓電聲納卻可以在海水里探測潛艇這方面很好地發(fā)生作用。所以說，當(dāng)今軍事上的潛艇探測系統(tǒng)更是把壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)原理發(fā)揮的*。
 

　　由上面的介紹，我們對鐵電材料有了初步的了解。可以看出鐵電材料在生活中的應(yīng)用很廣泛。