鐵電功能材料及其應(yīng)用研究

梁 坤

（湖北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430062）

0 引言

鐵電材料是一類具有自發(fā)極化Ps(spontaneous polarization)，而且自發(fā)極化矢量可以在外電場作用下反轉(zhuǎn)的電介質(zhì)，這類材料的主要特征之一是具有鐵電性，即電極化強度與外電場之間具有電滯回線的關(guān)系，同時還表現(xiàn)出其他特性如：壓電效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)、電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、非線性光學(xué)效應(yīng)以及鐵電疇的開關(guān)效應(yīng)等。鐵電材料的發(fā)展經(jīng)歷了三個重要階段：20 世紀20-30年代，以水溶性鐵電單晶為代表；40－70年代，以鐵電陶瓷為代表；70年代以后，以鐵電薄膜為代表。早期鐵電材料的用途主要是利用它的介電性、半導(dǎo)性等制作陶瓷電容器和各種傳感器。激光和晶體管技術(shù)的日趨成熟，又促進了鐵電薄膜的發(fā)展。80年代，隨著鐵電材料制備技術(shù)的發(fā)展，鐵電材料可以制作一些特殊功能器件，使其廣泛應(yīng)用于電子技術(shù)、超聲技術(shù)、紅外技術(shù)等領(lǐng)域。90年代，隨著微電子技術(shù)、光電子技術(shù)和傳感器技術(shù)等的發(fā)展，對鐵電材料提出了小型輕量、可集成等更高的要求，從而使大批新型鐵電器件或器件原型不斷涌現(xiàn)。所有這些特性，使得鐵電體在紅外探測器、聲納探測器、壓電振蕩器、非線性光學(xué)器件與鐵電存儲器等方面得到了非常廣泛的應(yīng)用。在鐵電材料的許多應(yīng)用中，鐵電存儲器尤其引人注目。鐵電存儲器既有動態(tài)隨機存儲器(DRAM)快速讀寫功能，又有可擦除只讀存儲器(EPROM)的非易失性，還具有抗輻射、功耗和工作電壓低、工作溫度范圍寬、易與大規(guī)模集成電路兼容等特點，因而在鐵電隨機存儲器(FRAM)、超大規(guī)模集成動態(tài)隨機存儲器(ULSI DRAM)、鐵電存儲器(FEMFET)、全光存儲器等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。鐵電材料和集成鐵電器件在世界范圍內(nèi)引起了科技工作者的深切關(guān)注，成為當今功能材料和器件研究方面的一大熱點。

1 鐵電材料的基本類型

鐵電材料主要包括鈦酸鹽系、鈮酸鹽系和鋯酸鹽系三類。目前廣為研究的鐵電材料有PbTiO3(PT)、PZT、PLZT、Pb1-xLaxTi1-x/4O3(PLT)、Pb(Mg，Zn)1/3Nb2/3O3(PMN)、(Ba0.17Sr0.13)TiO3、LiNbO3、Bi4Ti3O12、BaTiO3等。在現(xiàn)有的鐵電材料中，比較令人滿意和使用較多的是PT、PZT、PLZT 系列。這主要是由于它們具有良好的光學(xué)和電學(xué)性能，調(diào)整其化學(xué)組成可以滿足電光、彈光及非線性光學(xué)等多方面的要求，但PZT 系鐵電材料具有耐疲勞性能較差、易老化及漏電流大、不穩(wěn)定等缺點。

2 鐵電材料的研究熱點

人們在不斷對新材料體系進行了開發(fā)和研究中，發(fā)現(xiàn)了鉍系層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的SrBi2Ta2O9(SBT)鐵電材料，這類材料具有良好的抗疲勞特性，用其制作的FERAM，在1012次重復(fù)開關(guān)極化后，仍無顯著疲勞現(xiàn)象，且具有良好的存儲壽命和較低的漏電流。以高容量為主要要求的動態(tài)隨機存儲器(DRAM)常采用高介電常數(shù)(εr)的鐵電材料作為電容器的介質(zhì)材料。

與此同時，相當一些四方相和正交相鎢青銅型結(jié)構(gòu)的鈮酸鹽鐵電材料由于其優(yōu)越的性能也越來越引起人們廣泛的關(guān)注，如Ba2NaNb5O15(BNN)、(Sr，Ba)Nb2O6(SBN)、Ba2-xSrxK1-yNayNb2O6(BSKNN)、(Pa，Ba)NbO2(PBN)等[5]。這類鐵電體是主要的電光材料，但這些材料很難制備成單晶結(jié)構(gòu)，這類材料已有一些報道。隨著光電子學(xué)的發(fā)展，這類鐵電材料將日益受到人們的重視。

3 結(jié)論

鐵電材料具有優(yōu)越的電學(xué)、非線性光學(xué)、電光、等一系列特殊性質(zhì)，可以利用這些性質(zhì)制作不同的功能器件，并可望通過鐵電材料與其它材料的集成或復(fù)合，制作集成性器件。利用其電滯回線特性可制作非揮發(fā)性隨機存取存儲器，利用壓電效應(yīng)可制作聲表面波延遲線及微型壓電馬達，利用熱釋電效應(yīng)可制作紅外熱釋電探測器，利用光電效應(yīng)制作光波導(dǎo)等器件。目前，鐵電材料主要應(yīng)用于微電子學(xué)和光電子學(xué)，在這兩大領(lǐng)域中，鐵電材料均有重要的或潛在的用途。

［1］鐘維烈.鐵電物理學(xué)[M].科學(xué)出版社，1996.

［2］張良瑩，姚熹.電介質(zhì)物理學(xué)[M].西安交通大學(xué)出版社，1991.

［3］王仁卉，郭可信.晶體學(xué)中的對稱群[M].科學(xué)出版社，1990.

［4］曲喜新，等.電子薄膜材料[M].科學(xué)出版社，1996.