鐵電功能材料及其應用研究

梁 坤

（湖北大學 材料科學與工程學院，湖北 武漢 430062）

0 引言

鐵電材料是一類具有自發極化Ps(spontaneous polarization)，而且自發極化矢量可以在外電場作用下反轉的電介質，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系，同時還表現出其他特性如：壓電效應、熱釋電效應、電光效應、聲光效應、非線性光學效應以及鐵電疇的開關效應等。鐵電材料的發展經歷了三個重要階段：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、半導性等制作陶瓷電容器和各種傳感器。激光和晶體管技術的日趨成熟，又促進了鐵電薄膜的發展。80年代，隨著鐵電材料制備技術的發展，鐵電材料可以制作一些特殊功能器件，使其廣泛應用于電子技術、超聲技術、紅外技術等領域。90年代，隨著微電子技術、光電子技術和傳感器技術等的發展，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。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、非線性光學器件與鐵電存儲器等方面得到了非常廣泛的應用。在鐵電材料的許多應用中，鐵電存儲器尤其引人注目。鐵電存儲器既有動態隨機存儲器(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、易與大規模集成電路兼容等特點，因而在鐵電隨機存儲器(FRAM)、超大規模集成動態隨機存儲器(ULSI DRAM)、鐵電存儲器(FEMFET)、全光存儲器等領域有廣闊的應用前景。鐵電材料和集成鐵電器件在世界范圍內引起了科技工作者的深切關注，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和電學性能，調整其化學組成可以滿足電光、彈光及非線性光學等多方面的要求，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和研究中，發現了鉍系層狀鈣鈦礦結構的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次重復開關極化后，仍無顯著疲勞現象，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隨機存儲器(DRAM)常采用高介電常數(εr)的鐵電材料作為電容器的介質材料。

與此同時，相當一些四方相和正交相鎢青銅型結構的鈮酸鹽鐵電材料由于其優越的性能也越來越引起人們廣泛的關注，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構，這類材料已有一些報道。隨著光電子學的發展，這類鐵電材料將日益受到人們的重視。

3 結論

鐵電材料具有優越的電學、非線性光學、電光、等一系列特殊性質，可以利用這些性質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合，制作集成性器件。利用其電滯回線特性可制作非揮發性隨機存取存儲器，利用壓電效應可制作聲表面波延遲線及微型壓電馬達，利用熱釋電效應可制作紅外熱釋電探測器，利用光電效應制作光波導等器件。目前，鐵電材料主要應用于微電子學和光電子學，在這兩大領域中，鐵電材料均有重要的或潛在的用途。

［1］鐘維烈.鐵電物理學[M].科學出版社，1996.

［2］張良瑩，姚熹.電介質物理學[M].西安交通大學出版社，1991.

［3］王仁卉，郭可信.晶體學中的對稱群[M].科學出版社，1990.

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