在我們對存儲器老化進(jìn)行可控性分析之前,首先需要對存儲器材料有所了解。在這里,我們研究的是鐵電存儲材料,因而先要了解一下鐵電材料。它是一種常用的電介質(zhì)材料,并且它具有較高的介電常數(shù)。鐵電材料在我們生活的應(yīng)用十分多:因為鐵電材料具有比較好的鐵電性、介電性、熱釋電性和壓電特性等等,所以它應(yīng)用十分的廣泛,小到生活中常見到的打火機、煤氣灶,大到科學(xué)技術(shù)上的聲吶、地震儀等等,當(dāng)然也可以用來制作成鐵電存儲器。
如果一定要給鐵電材料下個定義,那么可以將具有鐵電性的材料都稱為鐵電材料。因此在了解鐵電材料之前先要對鐵電性有所了解。我查閱資料得知鐵電性是源于空間反演對稱性破卻的,就是指在有限溫度下,材料具有兩個或多個可能的取向的自發(fā)極化的現(xiàn)象,而且在電場作用下這種自發(fā)極化的取向可以改變。極化交互作用會導(dǎo)致長程序與熱漲落(溫度T)競爭,一旦長程序強度熱漲落就會發(fā)生順電-鐵電相變。而當(dāng)熱漲落的強度超過長程序,也會發(fā)生順電一鐵電相變。簡單來說,鐵電材料可以由下面的圖1.1表示出來,在圖1.1中鐵電性是由正負(fù)空間電荷中心不重合導(dǎo)致的電偶極矩表現(xiàn)。從晶體角度來解釋就是說在晶體中,自發(fā)極化現(xiàn)象的出現(xiàn)會造成一個特殊的方向,使得晶胞中的原子沿著該方向產(chǎn)生相對位移。也正是由于原子的相對位移會導(dǎo)致正負(fù)電荷中心不再重合,因而形成電偶極矩。正如如圖1.1所示,這樣的現(xiàn)象就是鐵電性。
鐵電材料之所以能用來做出鐵電存儲器,是因為其在電場作用下表現(xiàn)出來的電滯回線。如圖1.2(a)所示。從圖中我們可以看出在自發(fā)極化的晶體中,其均勻極化的狀態(tài)不是穩(wěn)定的,所以晶體將自發(fā)分成被稱為“疇”的小區(qū)域。經(jīng)過查閱資料我們得知可以用疇的運動來解釋鐵電材料在電場下表現(xiàn)出的電滯回線。
疇的邊界叫做疇壁,疇壁帶有電荷。從圖中的電滯回線中,我們可以看到,隨著外電場由零逐漸增加,新的鐵電疇成核長大,疇壁運動導(dǎo)*化翻轉(zhuǎn)。在電場較弱時,可逆的疇壁運動占有主導(dǎo)地位。之后電場繼續(xù)增強時,新的鐵電疇成核,疇壁運動成為不可逆的,極化強度隨電場的增加比線性線段要快。我們也可以看出當(dāng)電場達(dá)到一定的強度值時,晶體會成為單疇的,這時候自發(fā)極化趨于飽和。此時如果再加大電場強度,總極化強度依舊會繼續(xù)增大,這是因為感應(yīng)極化會有所增加。反之,如果此時減小電場強度,則極化將沿曲線減少,圖中可以看出在電場降為零時,材料仍然處在極化狀態(tài),極化強度為Pr,稱之為自發(fā)極化。將線段外推到與極化軸相交可得自發(fā)極化Ps。如果外加電場反向,電偶極矩翻轉(zhuǎn)。
當(dāng)電場強度E=Ec時,極化P=0,Ec稱為矯頑電場強度(coercive field)。這樣電場在正負(fù)飽和值之間循環(huán)一周時,極化與電場的關(guān)系如曲線所示,類似于鐵磁材料的磁滯回線。 由上圖1.2的(b)我們看到,把具有鐵電性的材料做出三明治結(jié)構(gòu)就成了鐵電存儲器,圖中紅色部分為鐵電材料,并在其上下兩面分別加上電極。鐵電材料之所以能夠做成存儲器存儲信息,是因為該材料在電場作用下表現(xiàn)出來的*對稱的電滯回線。上圖1.2的(a)為單電滯回線,其中每一個狀態(tài)都有與之對應(yīng)的另一個狀態(tài),可以對應(yīng)到存儲器電路中分別表示數(shù)字電路中的0和1,也就是說有了二進(jìn)制中0和1。我們都學(xué)過數(shù)字電路,知道二進(jìn)制可以用來存儲信息。同時也是因為該單電滯回線,鐵電材料制成的存儲器具有其*的優(yōu)點。因為當(dāng)電場降為零時,鐵電材料的極化強度為+Pr和-Pr,。在上圖中可以看到極化強度不是零,所以在外加電場為0(沒有外加電壓)時,鐵電材料依舊可以表現(xiàn)出二進(jìn)制中的0和1,。從而鐵電存儲器具有非易失性(又稱為非揮發(fā)性),即斷電后仍然能保存數(shù)據(jù),這是鐵電存儲器大的優(yōu)點。
我們了解到如果按讀寫功能分,存儲器可以分為只讀存儲器和隨機讀寫存儲器。其中只讀存儲器存儲的內(nèi)容是固定不變的,但是它只能實現(xiàn)存儲內(nèi)容的讀出而不能在其中寫入數(shù)據(jù)。
隨機讀寫存儲器就不一樣,可以讀出數(shù)據(jù)也可以寫入數(shù)據(jù)。但是RAM有一個大的缺點就是一旦斷電,隨機讀寫存儲器內(nèi)存儲的內(nèi)容會消失。所以如果能應(yīng)用鐵電存儲器的非揮發(fā)性,會是一個很大的進(jìn)步。這里我們講到的鐵電存儲器因為具有非揮發(fā)性,既能像隨機讀寫存儲器一樣高速讀寫數(shù)據(jù),又能像只讀存儲器一樣斷電后長期保存數(shù)據(jù),是應(yīng)用十分好的一類低能耗存儲器。
鐵電材料的鐵電性主要應(yīng)用在鐵電存儲器這一方面,而其鐵電材料其他方面的應(yīng)用主要是源于其壓電特性。鐵電材料在電場下表現(xiàn)出電滯回線的同時,又會產(chǎn)生電致應(yīng)變,即正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。圖1.3(a)表示出了正壓電效應(yīng):當(dāng)對鐵電材料施加一定的壓力時,材料內(nèi)的電偶極矩會受到壓縮,電偶極矩因此縮短。這時壓電材料(一般來說鐵電材料都是壓電材料,而壓電材料不一定是鐵電材料)為了抵制電偶極矩的縮短,會產(chǎn)生一定的的正負(fù)電荷,也就是說會產(chǎn)生電流。簡單來說,正壓電效應(yīng)是指壓電材料因為發(fā)生形變而產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。反之逆壓電效應(yīng)就是指給壓電材料加上一定的電壓,材料會發(fā)生形變,如圖1.3(b)所示。
正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)實際應(yīng)用十分的廣泛,小到生活中常見的打火機,煤氣灶大到地震儀以及軍事中的聲波等等。以打火機為例來說,當(dāng)按壓打火機上方時,打火機內(nèi)內(nèi)置的壓電材料就會因為壓電效應(yīng)產(chǎn)生出電火花,進(jìn)而把燃?xì)恻c著。鐵電材料在當(dāng)今軍事上對于潛艇的探測也是很重要的,我們常聽說的雷達(dá)在潛艇探測這塊是不能很好地發(fā)揮作用的,主要因為電磁波在海水里傳播會逐漸地衰減。但是壓電聲納卻可以在海水里探測潛艇這方面很好地發(fā)生作用。所以說,當(dāng)今軍事上的潛艇探測系統(tǒng)更是把壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)原理發(fā)揮的*。
由上面的介紹,我們對鐵電材料有了初步的了解??梢钥闯鲨F電材料在生活中的應(yīng)用很廣泛。