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鐵電材料及鐵電性的介紹
鐵電存儲(chǔ)器能夠?qū)崿F(xiàn)存儲(chǔ)功能的核心是鐵電材料及其具備的鐵電性，利用該特性制備成鐵電電容，便可以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)功能。以鐵電電容為核心，設(shè)計(jì)鐵電存儲(chǔ)器的基本存儲(chǔ)單元，并結(jié)合譯碼電路、驅(qū)動(dòng)電路、靈敏放大器等電路設(shè)計(jì)鐵電存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)陣列。鐵電存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)陣列、字線電壓控制模塊、時(shí)序控制邏輯、數(shù)據(jù)傳輸邏輯等模塊共同構(gòu)成了鐵電存儲(chǔ)器。
一般認(rèn)為，鐵電材料的研究開始于 1920 年，法國科學(xué)家 Valasek 在研究中發(fā)現(xiàn)，羅息鹽（即酒石酸鉀鈉，NaKC4H4O6·4H2O）在施加外電場(chǎng) E 的作用下，其極化強(qiáng)度 P 隨著外電場(chǎng) E 的改變產(chǎn)生圖 2-1 所示的滯后回線的關(guān)系，是一種非常特殊的非線性介電行為。由于圖 2-1 中的極化強(qiáng)度-電壓的曲線與鐵磁體的磁滯回線相似，因此鐵電材料的極化強(qiáng)度-電壓的曲線也被成為電滯回線，擁有這種特性的晶體被稱為“鐵電體”，相應(yīng)的材料被稱為“鐵電材料”。而鐵電材料不止擁有鐵電性，它還擁有良好的壓電性、熱釋電性、光電效應(yīng)以及聲光效應(yīng)等，所以鐵電材料受到業(yè)界各行業(yè)的廣泛關(guān)注。
鐵電材料是指材料本身具有自發(fā)極化特性，且材料發(fā)生自發(fā)極化時(shí)極化方向會(huì)有 2 個(gè)或多個(gè)可能取向，并且同時(shí)其極化強(qiáng)度隨著外加電場(chǎng)的變化會(huì)隨之改變的極性電介質(zhì)。在圖 2-1 中，假設(shè)鐵電材料初始極化強(qiáng)度為 0，那么在外加電壓情況下，其極化強(qiáng)度會(huì)隨電壓增加而增加，當(dāng)外部電壓到達(dá) Vsat 時(shí)，極化強(qiáng)度到達(dá)Psat。Psat 又被成為大極化強(qiáng)度或者飽和極化強(qiáng)度（Saturated polarization），Vsat 又被稱為大極化電壓或飽和極化電壓（Saturated voltage）。但是當(dāng)外部電壓被撤銷時(shí)，其極化強(qiáng)度并不會(huì)隨著外部電壓降低而變?yōu)?nbsp;0，而是隨著外部電壓的變?yōu)?0，其極化強(qiáng)度會(huì)變?yōu)?nbsp;Pr，即剩余極化強(qiáng)度（Residual polarization）。隨著外部電壓的繼續(xù)降低，當(dāng)外部電壓到達(dá)-Vc 時(shí)，鐵電材料的極化強(qiáng)度變?yōu)?0，該外部電壓 Vc 被稱為矯頑電壓（Coercive voltage）。當(dāng)電壓降至-Vsat 時(shí)，鐵電材料極化強(qiáng)度會(huì)到達(dá)-Psat，即與 Psat 相反的極化強(qiáng)度，當(dāng)電壓從-Vsat 變?yōu)?Vsat 時(shí)，極化強(qiáng)度便會(huì)沿著與上部分曲線呈中心對(duì)稱的下部分曲線變化。這便是電滯回線的特性，一般認(rèn)為電滯回線是鐵電材料的基本特性。
但是，僅憑電滯回線判斷鐵電材料并不jing準(zhǔn)。原因一是電介質(zhì)本身具有一定的非線性電阻，或者電介質(zhì)材料的介電常數(shù)并非固定值，而是與外加電場(chǎng)強(qiáng)度相關(guān)；二是一些半導(dǎo)體鐵電材料本身具有較大的漏電流，使用傳統(tǒng)的 Sawyer-Tower電路方法難以觀測(cè)到電滯回線。因此，測(cè)試得到的電滯回線只能被認(rèn)為是鐵電材料的重要特征之一。近年來，較大漏電流造成的鐵電材料電滯回線難以測(cè)量的技術(shù)障礙已經(jīng)被科學(xué)家突破，科學(xué)家通過串聯(lián)鐵電電容和外接電阻的新電路測(cè)試法成功測(cè)得部分鐵電材料的電滯回線。而從微觀結(jié)構(gòu)來看，鐵電體可以有以下定義：鐵電體晶胞具有大小相等的非零電偶極矩；且晶胞具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的結(jié)晶學(xué)等效方向，電偶極矩可以沿其中任一個(gè)方向取向。即在外電場(chǎng)作用下，電偶極矩可以由原來方向轉(zhuǎn)變到其他結(jié)晶學(xué)等效方向。
