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固態物理報告題目 : 鐵電性材料

指導老師 : 陳美利學號 :499L0071姓名 : 廖崇佑

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目錄1. 鐵電材料特性2. 鐵電性材料3. 鐵電材料應用4. 鐵電式液晶5. 鐵電隨機存取儲存器 6. 參考資料

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鐵電材料特性 鐵電性材料指具有自發極化的介電材料，亦即在無電場作用下也會產生極化；相當於鐵磁性材料具有永久磁性。鐵電性材料中必須有永久電偶極存在，以下將以最常見的鐵電性材料鈦酸鋇(BaTiO3)，說明永久電偶極的來源。因為、與等離子在單位晶胞中占據的位置導致了自發性極化。 離子位於單位晶胞的角落，此位置具有正方對稱性， 與離子由其所在的對稱位置上，產生了相對位移，導致了電偶極的發生。離子約位於六個面的面心稍下方的位置， 離子則由體心位置稍向上偏移，因此每一個單位晶胞都會產生一永久電偶矩。

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鐵電材料特性 然而，當鈦酸鋇加熱高於鐵電居禮溫度 (ferroelectric Curie temperature)() 時，期單位晶胞成為立方體，所有的離子皆位於對稱位置，此材料變成 perovskite 結構，鈦酸鋇的鐵電性因此消失。 這類材料中相鄰的永久電偶極發生交互作用，產生規則化而排列成同一方向，最後導致了自發極化。例如：在鈦酸鋇裡某些區域的所有單位晶胞中， 與離子沿同一方向產生相對位移。 鐵電性材料在相當低的電場的作用下，就具有非常高的介電常數。例如，在室溫下鈦酸鋇的 r 可高達 5000 ，因此鈦酸鋇電容器的體積遠低於他種材料的電容器。

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鈦酸鋇鈦酸鋇單位晶胞的等角頭影圖 (a) 與側視圖 (b)

圖 (a) 圖 (b)

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鐵電材料特性一、高介電常數 鐵電材料同時亦是強介電材料，具有高介電常數。依據能帶理論，在室溫時其能障很大，故亦為絕緣體。二、電滯曲線 鐵電材料可以藉由外加電場來改變極化方向，如圖 (c) 所示，為電極化 P 與外加電場 E 的關係。這種鐵電材料特有的 P-E 曲線稱為電滯曲線 (hysteresis loop) 。三、相變 晶體的鐵電性只存在於一定的溫度範圍。當溫度超過一定值，自發極化消失，鐵電體變成順電體 (paraelectric) 。此由鐵電相轉至順電相的改變，稱為相變，此相變溫度亦稱為居里溫度或居里點 TC。根據 Curie-Weiss 定律， εr 隨溫度改變的關係為

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鐵電材料特性

圖 (c) 電磁曲線

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鐵電性材料一 . 鈣鈦酸型• 鈦酸鋇 (BaTiO3)• 鈮酸鉀 (KNbO3)• PbTiO3

• LiTaO3

• LiNbO3

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鐵電性材料二 .KDP 型• 磷酸二氫鉀 (KH2PO4)• KD2PO4

• RbH2PO4

• KH2AsO4

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鐵電性材料三 .TGS 型• Tri-glycine sulfate• Tri-glycine selenate

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鐵電材料應用• 鐵電電容器• 鐵電液晶• 鐵電隨機存取儲存器 (FRAM)• 表面聲波元件 (SAW)• 光調製器

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鐵電式液晶 鐵電式液晶材料與向列型液晶材料在驅動上的不同處為：鐵電式液晶於驅動時其自發性極化方向將順著電場方向運動在同一平面偏轉，而向列型液晶為分子長軸方向將順著電場方向轉動。 鐵電式液晶元件最大的優點就是極快的反應速度， 1 毫秒以下的反應速度足足比傳統 TN 型顯示器快了十倍以上，並因其於平面上的運動，和 IPS(in-plane switching)技術相同，擁有廣視角的優點。再者，由於配向膜與液晶分子間的錨定能 (anchoring energy) 以及自發性極化的影響，鐵電式液晶將穩定於亮態或暗態，即使將外加電場移除，此現象稱之為雙穩態 (bistability) 。此雙穩態之特性提供鐵電式液晶於靜態顯示器的應用如， e-paper ，電子看板等，由於只需在改變畫面時驅動而擁有省電的優勢。

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鐵電隨機存取儲存器 (FRAM)

鐵電材料因具有電滯現象，因此可應用於非揮發性記憶元件，元件資料的儲存乃是利用鐵電材料在極化後仍具殘留極化值，於外加電壓去除後仍能保存原有狀態。目前鐵電非揮發性記憶元件依結構可分為兩大類： 第一類是以 MFSFET(Metal-Ferroelectric-Semiconductor Field Effect Transistor) 為基本架構之鐵電非揮發性記憶體 (FET type) ，鐵電薄膜位於閘極通道上方，其殘留極化方向的不同會改變閘極通道表面的電荷狀態和汲極電流值，只須偵測汲極電流值 Id 的大小即可完成資料判讀，讀取動作並不會改變資料儲存狀態所以為非破壞性讀取方式 (Non-Destructive Read Out, NDRO) 。此種記憶體的結構十分類似MOSFET ，只是介電層由鐵電薄膜所取代，因此記憶胞結構非常簡單，可製作成高密度的記憶元件。此外其資料讀取方式為非破壞性，因此讀／寫時間非常短暫 (~100ns) 。雖然這種記憶體擁有這些優點，然而存在於介面的氧化與元素擴散等問題，使得在半導體材料上鍍出高品質的鐵電薄膜並不容易。

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鐵電隨機存取儲存器 (FRAM) 第二類鐵電非揮發性記憶元件是以鐵電薄膜取代 DRAM記憶胞電容中的介電層 (1T-1C type) ，藉著鐵電材料極化方向的不同來作資料的寫入與判別。 判讀方式有兩種，一種在施加電壓脈衝時即進行偵測，則位元線上“ 1” 與“ 0” 電壓值會與極化大小成比例。考慮另一種判讀方式，若儲存的資料為“ 0” ，施加電壓脈衝後鐵電薄膜極化值從 Pr←Ps 變化，可觀察到一小電流產生。若儲存為“ 1” ，則極化值改變從 -Pr←Ps ，會觀察到較大的電流產生，藉由比較這兩種電流大小的差異，即可得知儲存資料的邏輯狀態。

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資料來源• http://de.academic.ru/dic.nsf/dewiki/126627 ( 圖 a)• http://jpkc.ycit.cn/clwl/jxwz_6.4.asp( 圖 b)• http://www.itrc.narl.org.tw/Publication/Newsletter/no68/p10.php• http://

www.mmmpc.com.tw/yuehyin/MagSummary.aspx?ID=499&MID=9633• http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1005012706665• 材料科學與工程 (第三版 ) William D. Callister,Jr ＆ David G. Rethwisch• 固態物理學導論 John Wiley ＆ Sons, Inc