CN102116789B - 一种铁电畴运动速度可调的脉冲电压测量法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于固态电介质性能测试技术领域，具体为铁电畴运动速度可调脉冲电压测量铁电畴极化翻转的方法。在极化翻转过程中铁电电容上的电压等于其矫顽电压Vc，在外加脉冲电压为V时，总的电路电流表示为I=Vt/Rt=(V-Vc)/ Rt。因此在不改变测量脉冲电压的条件下，可在电路中串联不同阻值的电阻实现对电流大小和Vc的调节，即实现在不同矫顽电压下对铁电极化翻转速度的调节。本发明提供了一种可以连续改变铁电极化翻转速度的方法，并且通过改变预置电压与测量脉冲电压极性关系（相反或相同）实现对铁电电容极化翻转和非极化翻转特性的测量。

Description

一种铁电畴运动速度可调的脉冲电压测量法
技术领域
本发明属于固态电介质性能测试技术领域，具体涉及铁电畴运动速度可调脉冲电压测量铁电畴极化翻转的方法。
背景技术
电介质的特征是以正、负电荷重心不重合的电极极化方式传递、存贮或记录电的作用和影响，因此介电常数是表征电介质最基本的参量。铁电体是一类特殊的电介质材料，其介电常数大、非线性效应强，有显著的温度依赖性和频率依赖性。铁电电容在极化翻转过程中所需电荷是等于整个测量电路中的电流随时间的积分，其电流大小等于施加在电路总电阻上的电压Vt与电路串连总电阻Rt的比值。在极化翻转过程中铁电电容上的电压等于其矫顽电压Vc，当测量脉冲电压为V时，总的电路电流可表示为I= Vt / Rt =(V-Vc)/Rt。因此在不改变测量脉冲电压的条件下，可以通过在电路中串联不同阻值的电阻实现对电畴运动电流大小的调节，即实现对铁电畴极化翻转速度的调节。由于电路中串联的电阻是可以任意改变的，所以本发明提供了一种可以连续改变铁电电畴极化翻转速度的方法，并且通过改变预置电压与测量脉冲极性关系（相反或相同）可以实现对铁电电容极化翻转和非极化翻转电荷的测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量范围大，测试数据更加可靠的铁电畴运动速度可调的脉冲电压测量铁电畴极化翻转的方法。
本发明提供的铁电畴运动速度可调的脉冲电压测量铁电畴极化翻转的方法，具体步骤包括：
在电路中串联不同阻值的电阻（见图1所示）；通过宽度远超过（一般2-10倍）铁电电容极化翻转时间的预置脉冲对所测样品进行预置；而后施加矩形电压脉冲（该电压脉冲的幅值取决于被测样品的情况和用于改变铁电畴运动速度的串联电阻的大小，一般应高于样品在相应铁电畴运动速度下的矫顽电压）， 对铁电电容进行电畴极化翻转电流特性测量；由示波器记录整个过程中加在串联电阻上的电压随时间变化曲线，并观察电畴翻转中所出现的电压台阶；在极化翻转过程中电路中的电流可表示为：
                                                                  
Figure 2011100009873100002DEST_PATH_IMAGE002
式中Vt为台阶电压高度，即在电畴转动过程中施加在电路总电阻上的电压，为V为测量脉冲电压，Vc为铁电电容矫顽电压，Rt为电路总电阻；所述电路总电阻Rt包括：系统内阻（脉冲发生器内阻和示波器内阻）和串联电阻；Vc在电畴翻转过程中保持为恒定值；通过软件记录电畴翻转电流对时间的积分，就可以得到铁电可极化翻转的电荷值；改变预置电压的极性和测量电压脉冲相同，可得到电畴不发生极化翻转的电荷；两种电荷相减，即得到铁电畴的剩余极化电荷。
本发明中，电路中串联的电阻是可以任意改变的。在外加电压一定的情况下，电畴极化翻转的速度取决于电路中的串联电阻的大小，即电流。所以本发明提供了一种可以连续改变铁电畴运动速度和矫顽电压的方法。
本发明中，采用电脉冲方式不仅可以测量铁电极化和外加电压关系，还可以准确测量矫顽电压和翻转电流，即电压和电畴运动速度关系，由于测试电压源采用电脉冲发生器提供，脉冲宽度也可以根据不同电畴运动速度范围自由设定，可以跨越9个数量极或更高，测量方法较现有的传统铁电分析仪更为先进。
根据本发明所述，实现铁电极化翻转速度可调的原理是依据在极化翻转过程中铁电电容上的电压等于其矫顽电压Vc，当测量脉冲电压为V时，总的电路电流可表示为I = Vt / Rt =(V-Vc)/Rt。因此在不改变测量脉冲电压的条件下，可以通过在电路中串联不同阻值的电阻实现对电流和矫顽电压大小的调节，最终实现对铁电电容的电压和电畴极化翻转速度的准确调节。 
根据本发明所述，采用脉冲方式测量铁电电容极化翻转特性，由于测试电压源采用脉冲发生器提供，因而可以大范围内时间间隔内测量跨越9个数量级以上的电畴运动速度，较商用铁电分析仪的测量范围大，测试数据更加可靠。
附图说明
图1 为实现铁电畴运动速度可调脉冲电压测量铁电畴极化翻转的脉冲波形和电路示意图。
图2 为在电路中串联不同阻值电阻实现的铁电畴运动速度可调脉冲电压测量铁电畴极化翻转的测量结果。
具体实施方式
结合以下附图对本发明的原理和特征进行了描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
测试所需的脉冲信号都是用Agilent 81150A任意波形信号发生器信编辑，串联电阻两端电压由LeCroy WR 6200A 示波器记录，系统内阻50欧姆。
在电路中串联不同阻值电阻实现的对铁电畴极化翻转速度的调节。在脉冲发生器中设置所需测试脉冲波形，设置预置电压V，预置脉冲宽度为100毫秒，设置测试脉冲宽度和电压值。将变阻器与样品串联，示波器测量串联电阻两端电压，而后通过示波器对测试过程中串联电阻两端电压进行记录，由软件识别电压曲线中的电压平台高度。由于串联电阻值已知，因而极化翻转电流I sw = V l/R l，V l为极化翻转发生时串联电阻两端电压，R l为串联电阻阻值，由公式：
Figure 2011100009873100002DEST_PATH_IMAGE004
（积分时间为示波器记录的电压平台宽度）即可求得铁电极化翻转的电荷值，由公式
Figure 2011100009873100002DEST_PATH_IMAGE006
（
Figure 2011100009873100002DEST_PATH_IMAGE008
为极化翻转值，S为电极面积）。改变串联电阻R l的大小，即实现对铁电电容极化翻转速度的调节。
下面结合具体例子说明，铁电薄膜电容样品为Pt/IrO2/Pb（Zr0.4Ti0.6）O3(PZT)/IrO2/Pt/Si，铁电薄膜厚度为140 nm，电极面积为1.0′10-4  cm2。在380K下，样品测量脉冲预置电压为-5 V脉冲宽度为100毫秒和测量脉冲电压都设置为5 V脉冲宽度设置为5毫秒，串联电阻阻值分别选定为100欧姆、1千欧姆、1万欧姆、1百万欧姆和1千万欧姆，得到在测试电路串联电阻调节下铁电畴极化翻转速度的变化，如附图2所示。

Claims (3)

1. 一种铁电畴运动速度可调的脉冲电压测量法，其特征在于具体步骤为：在电路中串联不同阻值的电阻；通过宽度远超过铁电电容极化翻转时间的预置脉冲对所测样品的极化方向进行预置，然后施加矩形电压脉冲对铁电电容进行电畴极化翻转电流特性测量；由示波器记录整个过程中加在串联电阻上的电压随时间变化曲线，并观察电畴翻转过程中所出现的电压台阶；在极化翻转过程中电路中的电流表示为：
                                                                  
Figure 2011100009873100001DEST_PATH_IMAGE002
式中Vt为台阶电压高度，即在电畴转动过程中施加在电路总电阻上的电压，V为测量脉冲电压，Vc为铁电电容矫顽电压，Rt为电路总电阻；电路总电阻Rt包括：系统内阻和串联电阻，Vc在电畴翻转过程中保持为恒定值；通过软件记录电畴翻转电流对时间的积分，得到铁电电容可极化翻转的电荷值；改变预置电压的极性和测量电压脉冲的极性相同，得到电畴不发生极化翻转的电荷；将上述两种电荷相减，即得到铁电畴的剩余极化电荷。
2. 根据权利要求1所述的铁电畴运动速度可调的脉冲电压测量法，其特征在于测试电压源采用脉冲发生器提供，脉冲宽度根据不同电畴运动速度范围自由设定，可以跨越9个数量级或更高。
3. 根据权利要求1所述的铁电畴运动速度可调的脉冲电压测量法，其特征在于在不改变测量脉冲电压的条件下，通过在电路中串联不同阻值的电阻实现对电流和矫顽电压大小的调节，最终实现对铁电电容上的电压和电畴极化翻转速度的准确调节。
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