钙钛矿铁电薄膜的制备和半导体性能表征(2)
图1.1 铁电体电滞回线，Ps 为饱和极化强度，Pr 为剩余极化强度，Ec 为矫顽场
改变铁电晶体的外加电场E，,极化强度P也会随之出现变化，当所施加一个较大的外加电场E时，极化强度P与外加电场E之间会呈现非线性的关系，而且极化强度P是外加电场E的双值函数，并会有滞后现象。电场由正饱和值变化移动到负饱和值，再由负饱和值变化移动到正饱和值，循环一周，极化强度P与电场E会形成一个闭合的曲线，此曲线称为电滞回线，如图1-1所示。图中Ec称为矫顽场，其定义为使铁电体剩余极化变为零所需要的反向电场强度；Pr称为剩余极化强度，其定义为在外加电场撤除后，铁电晶体中能够稳定存在的极化强度。当外加电场达到正向最大值，铁电体的达到饱和极化，此时极化强度达到了正向最大，其值为Ps。铁电体剩余极化与饱和极化的比值称为电滞回线的矩形度。同理，当施加一个反向电场并慢慢加大时，极化强度首先开始变小直至变为零，剩余极化全部消失，然后发生极化反转，极化反向。随着反向电场强度的增大，极化强度也会随之增大，最终极化反向达到饱和。
通常来说，铁电晶体只有在一定的温度范围内才具有铁电性，而超出这个温度范围就不会具有铁电性。铁电晶体的铁电性会随着温度的升高而发生变化。当温度高于某一临界值时，晶体的铁电性会消失，而出现顺电性，并且晶体结构也会发生转变，此时的温度称为居里温度，简称居里点。从相变的角度来说，当温度小于居里点时，铁电体存在自发极化，处于铁电状态；而当温度超过居里点时，铁电体的自发极化会消失，由铁电状态进入到顺电状态。
典型的铁电材料有：锆钛酸铅Pb(Zr1-xTix)O3、钛酸钡BaTiO3、铁酸铋BiFeO3等。以前，主要是从铁电材料的的压电性、热释电性、电光性能以及高介电常数来进行应用研究。而近几年，随着新铁电材料薄膜制备工艺的发展，以及相关的电子封装技术的进步，铁电材料取得了突破性的发展，开始逐渐应用到图像显示、信息存储、铁电光阀阵列作全息照像的存储和全息照像中的编页器等领域[1]。
1.1.2 铁电体的分类
铁电体的分类方法有很多，在这主要介绍按相转变的微观机制分类[2,3]：位移型铁电体和有序-无序铁电体。位移型铁电体多为双氧化物，如BaTiO3、LiNbO3 等，其晶胞中具有氧八面体结构。这类铁电体在发生相转变的时候，同一类型的亚点阵会相对于另一类型亚点阵发生整体位移。而铁电体由顺电相转变为铁电相，相转变与离子的位移有着密切关系。另一种是有序-无序型转变的铁电体，主要包括了含有氢键或某些特殊官能团的晶体，如KH2PO4 及其同型盐、NaNO2、硫酸三甘氨酸（TGS）等。这类晶体在发生相转变时，离子个体会发生有序化，质子的运动与铁电性有密切关系。
1.1.3 铁电体的主要应用
从Valasek发现罗息盐的铁电性，人们开始对铁电体进行研究。迄今为止，包括不同分子的组装产物，人们发现的铁电体已有上千种。目前，铁电体仍然是一种热门的研究材料，人们对于铁电材料已经进行了广泛而又深入的研究。近几年来，随着科学技术的不断进步以及研究设备的不断发展，人们在铁电材料领域的研究取得了不少新的进展。主要的有以下几个方面：
1、尺寸效应方面的研究。虽然人们在铁电薄膜和铁电超微粉等研究领域取得了丰硕的研究成果，但是对铁电材料尺寸效应的研究还处在比较浅显的水平，这已经成为一个亟待研究的课题。近年来，经过大量的实验研究，人们对铁电体的基础理论认识有了更深入的理解，预测了尺寸变化对铁电体的自发极化、相变温度和介电极化率的影响，并初步得出了相关规律。在此基础上，人们还计算出某些典型铁电体的铁电临界尺寸，这对后面研究有重要的指导意义。这些研究成果的获得不仅对集成铁电器件的制备和设计有着重要的指导作用，而且对铁电理论的完善和铁电研究的发展具有深远意义。