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鐵電材料的概述
日期：2021-03-17瀏覽：2540次
在我們對存儲器老化進行可控性分析之前，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材料，并且它具有較高的介電常數。鐵電材料在我們生活的應用十分多：因為鐵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，所以它應用十分的廣泛，小到生活中常見到的打火機、煤氣灶，大到科學技術上的聲吶、地震儀等等，當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極化的現象，而且在電場作用下這種自發極化的取向可以改變。極化交互作用會導致長程序與熱漲落(溫度T)競爭，一旦長程序強度熱漲落就會發生順電-鐵電相變。而當熱漲落的強度超過長程序，也會發生順電一鐵電相變。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中鐵電性是由正負空間電荷中心不重合導致的電偶極矩表現。從晶體角度來解釋就是說在晶體中，自發極化現象的出現會造成一個特殊的方向，使得晶胞中的原子沿著該方向產生相對位移。也正是由于原子的相對位移會導致正負電荷中心不再重合，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，是因為其在電場作用下表現出來的電滯回線。如圖1.2(a)所示。從圖中我們可以看出在自發極化的晶體中，其均勻極化的狀態不是穩定的，所以晶體將自發分成被稱為“疇”的小區域。經過查閱資料我們得知可以用疇的運動來解釋鐵電材料在電場下表現出的電滯回線。
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，疇壁運動導*化翻轉。在電場較弱時，可逆的疇壁運動占有主導地位。之后電場繼續增強時，新的鐵電疇成核，疇壁運動成為不可逆的，極化強度隨電場的增加比線性線段要快。我們也可以看出當電場達到一定的強度值時，晶體會成為單疇的，這時候自發極化趨于飽和。此時如果再加大電場強度，總極化強度依舊會繼續增大，這是因為感應極化會有所增加。反之，如果此時減小電場強度，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，極化強度為Pr，稱之為自發極化。將線段外推到與極化軸相交可得自發極化Ps。如果外加電場反向，電偶極矩翻轉。
當電場強度E=Ec時，極化P=0，Ec稱為矯頑電場強度(coercive field)。這樣電場在正負飽和值之間循環一周時，極化與電場的關系如曲線所示，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構就成了鐵電存儲器，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，是因為該材料在電場作用下表現出來的*對稱的電滯回線。上圖1.2的(a)為單電滯回線，其中每一個狀態都有與之對應的另一個狀態，可以對應到存儲器電路中分別表示數字電路中的0和1，也就是說有了二進制中0和1。我們都學過數字電路，知道二進制可以用來存儲信息。同時也是因為該單電滯回線，鐵電材料制成的存儲器具有其*的優點。因為當電場降為零時，鐵電材料的極化強度為+Pr和-Pr，。在上圖中可以看到極化強度不是零，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出二進制中的0和1，。從而鐵電存儲器具有非易失性(又稱為非揮發性)，即斷電后仍然能保存數據，這是鐵電存儲器大的優點。
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讀寫存儲器。其中只讀存儲器存儲的內容是固定不變的，但是它只能實現存儲內容的讀出而不能在其中寫入數據。
隨機讀寫存儲器就不一樣，可以讀出數據也可以寫入數據。但是RAM有一個大的缺點就是一旦斷電，隨機讀寫存儲器內存儲的內容會消失。所以如果能應用鐵電存儲器的非揮發性，會是一個很大的進步。這里我們講到的鐵電存儲器因為具有非揮發性，既能像隨機讀寫存儲器一樣高速讀寫數據，又能像只讀存儲器一樣斷電后長期保存數據，是應用十分好的一類低能耗存儲器。
鐵電材料的鐵電性主要應用在鐵電存儲器這一方面，而其鐵電材料其他方面的應用主要是源于其壓電特性。鐵電材料在電場下表現出電滯回線的同時，又會產生電致應變，即正壓電效應和逆壓電效應。圖1.3(a)表示出了正壓電效應：當對鐵電材料施加一定的壓力時，材料內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，會產生一定的的正負電荷，也就是說會產生電流。簡單來說，正壓電效應是指壓電材料因為發生形變而產生電荷的現象。反之逆壓電效應就是指給壓電材料加上一定的電壓，材料會發生形變，如圖1.3(b)所示。
正壓電效應和逆壓電效應實際應用十分的廣泛，小到生活中常見的打火機，煤氣灶大到地震儀以及軍事中的聲波等等。以打火機為例來說，當按壓打火機上方時，打火機內內置的壓電材料就會因為壓電效應產生出電火花，進而把燃氣點著。鐵電材料在當今軍事上對于潛艇的探測也是很重要的，我們常聽說的雷達在潛艇探測這塊是不能很好地發揮作用的，主要因為電磁波在海水里傳播會逐漸地衰減。但是壓電聲納卻可以在海水里探測潛艇這方面很好地發生作用。所以說，當今軍事上的潛艇探測系統更是把壓電效應和逆壓電效應原理發揮的*。
由上面的介紹，我們對鐵電材料有了初步的了解?？梢钥闯鲨F電材料在生活中的應用很廣泛。
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