[发明专利]铁电薄膜电畴区域运动速度与矫顽电场关系的测量方法

摘要

本发明属于固态电介质性能测试技术领域，具体为一种铁电薄膜电畴区域运动速度与矫顽电场关系的测量方法。在铁电电容器充电过程中，铁电薄膜上电压逐渐从零上升到目标电压时，矫顽电压较小的电畴率先反转，反转电流和电畴运动速度呈正比；该电畴反转完毕后，随着薄膜充电电压的逐步增大，矫顽电压较高的电畴依次反转，即将铁电薄膜矫顽电压随不同区域的分布按照矫顽电压从小到大的顺序转化为电畴极化反转电流随时间的变化。在0.1V-100V间外加脉冲电压下,通过总串联电路中电阻在100Ω－100MΩ间调节，可以在1nA-1A间改变电畴反转电流或电畴运动速度，从而获得在不同区域中矫顽电场随电畴运动速度的变化。

主权项

1.一种铁电薄膜电畴区域运动速度与矫顽电场关系的测量方法，其特征在于采用电脉冲测量法，在外加脉冲电压的作用下，铁电电容器在充电阶段的电压逐渐增大，电畴按照矫顽电压从小到大的顺序随时间依次反转，并且，只有在较低矫顽电压区域的电畴反转完成后，更高矫顽电压区域中电畴才开始反转，反转速度和电流呈正比；在0.1V-100V间外加脉冲电压下,通过总串联电路中电阻在100Ω－100MΩ间调节，可以在1nA-1A间改变电畴反转电流或电畴运动速度，测量电畴极化反转电流随时间的变化反应出铁电薄膜不同区域的矫顽电场随电畴运动速度的变化，具体测量步骤如下：(1)、对铁电薄膜施加脉冲电压V，在外加电压V和一总串联电阻R_t作用下，铁电薄膜矫顽电压随时间变化为：            V_c⁰(t₀）<V_c¹(t₁)<V_c²(t₂)<V_c³(t₃)…<V_c^m(t_m)        (1)  其中V_c⁰为第0区域电畴的矫顽电压在t₀时刻开始反转，V_c¹(t₁)为第1区域电畴的矫顽电压在t₁时刻开始反转；以此类推，V_c^m(t_m)为第m区域电畴的矫顽电压在t_m时刻开始反转；电畴反转的时间顺序为t₀< t₁< t₂< t₃…< t_m ；(2)、根据步骤(1)，有公式：(2)其中Q(t_m)为铁电电容器所测量出到第m电畴开始反转的总电荷面密度，C_f(V)为铁电电容器的电容，V_c^m为第m区域电畴的矫顽电压, S为铁电平行板电容器的电极面积，△Pⁱ (V_cⁱ)在第i区域电畴反转所引起的极化强度的变化值；Q(t_m)不随电路中总串联电阻值的改变而发生变化； (3)、根据步骤(1)，铁电薄膜第m区域电畴反转电流和矫顽电压关系为：(3)其中I_sw(t_m)为第m区域电畴的极化反转电流，V为外加电压，V_c(t_m)为第m区域电畴的矫顽电压，R_t为电路中总串联电阻；I_sw(t)即通过示波器测量R_t两端的电压随时间的变化而求出；(4)、根据步骤(3)测量数据，并按电容器充电存储电荷等于充电电流对时间积分公式：(4)计算得铁电电容器充电存储电荷面密度Q(t_m)，其中Q(t_m)为铁电电容器充电存储电荷面密度,S为铁电电容器电极面积,I_sw(t)为随时间变化的极化反转电流； (5)、读取铁电薄膜区域电畴矫顽电压，分为普通和高精度两种读取：铁电薄膜区域电畴矫顽电压普通读取：① 根据步骤(2)，确定铁电电容器铁电薄膜第m电畴开始反转的总电荷面密度Q(t_m);② 根据步骤(4)得铁电电容器铁电薄膜第m电畴开始反转的总电荷面密度Q(t_m)所对应的t_m时刻和I_sw(t_m)；③ 由步骤(3)公式计算出V_c(t_m)；铁电薄膜区域电畴矫顽电压高精度读取：① 在一个外加电压V下,根据步骤(2)，确定铁电电容器铁电薄膜第m电畴开始反转的总电荷面密度Q(t_m);② 根据步骤(4)，得铁电电容器铁电薄膜第m电畴开始反转的总电荷面密度Q(t_m)所对应的t_m时刻和I_sw(t_m)；③ 根据外加电压V值，在0.6V-2V范围，上下浮动改变外加电压V，并重复上述①和②两步测量，得出I_sw(t_m)－V关系式，由步骤（3）公式进行函数拟合，得出V_c(t_m)； (6)、在0.1V-100V间外加脉冲电压下,通过总串联电路中电阻R_t值在100Ω－100MΩ间调节，重复步骤(1)到(5)，可以在1nA-1A间相应测量第m区域电畴的I_sw－V_c关系，即对应着该区域电畴运动速度和矫顽电场的关系；(7)、根据步骤(2)，改变铁电电容器充电存储电荷面密度Q值，重复步骤(4)到(6)，从电畴极化反转电流随时间变化的曲线中求得其它电畴区域的I_sw－V_c关系。