铁电电畴调控及传感机理

随着空间技术的蓬勃发展，辐照环境下高精度传感测试需求不断提升。同时，电子测试系统的蓬勃发展离不开纳米尺度基础功能单元的研究，开展微观尺度下功能材料的性能研究，对拓展器件应用具有重要的意义。铁电薄膜良好的自发极化及翻转特性免疫于空间辐照环境，在空间环境中电畴形态得以稳定保持，为基于铁电器件的应用奠定基础。特别地，基于导电畴壁附近的载流子聚集响应，加工纳米尺度的畴壁单元稳定结构，实现高精度温度传感测试。然而，目前商用极化多采用油浴极化块状铁电体，无法实现极化的高效、快速、精准调控，且基于传统材料微加工设计的产品不利于半导体器件的小型化和集成化。因此，探索铁电薄膜高质量可控制备，设计高效的极化调控方式，从而实现铁电薄膜的精准调控和高温环境下稳定性调控，为辐照环境下传感技术实现提供了新思路和新途径。 本书聚焦于铁电材料纳米尺度电畴调控及其温度敏感机理分析，可以作为从事电子信息功能材料及器件研究工具书，尤其是从事铁电材料研究人员的参考书，也可以作为高等学校、科研院所高年级本科生和研究生的教学、科研用书。

空间技术和航空航天的飞速发展，对空间测试传感系统提出了更高的要求，太空辐照环境下高精度传感检测核心技术面临巨大的挑战。铁电薄膜具有稳定的自发极化状态，同时在辐照环境中表现出稳定的抗辐照特性。近年来，以压电力显微镜作为核心手段实现铁电薄膜纳米尺度调控，在半导体技术与集成电路、航空与航天探测等多学科交叉领域获得了多国科研工作者的密切关注。利用压电力显微镜研究铁电薄膜主要包括电畴及畴壁导电性调控，然而，环境温度影响电畴的疲劳稳定性，限制了器件化应用的进一步发展，电畴结构精准调控是首要问题，探索稳定的电畴调控方式迫在眉睫。电畴结构的稳定性及电畴动力学过程尚且模糊，且铁电薄膜内部存在退极化电场，与极化电荷及外部激励共同作用的屏蔽机制复杂，影响电畴的稳定性。因此探索电畴调控手段和畴壁稳定性是促进铁电薄膜走向器件应用的必要条件。本书围绕抗辐照铁电畴壁温度传感设计展开研究，构建电畴极化翻转理论模型，结合朗道自由能理论阐释电畴翻转过程中的能量势垒，探索电畴结构演化规律，阐明退极化场与环境温度共同作用下电畴调控机制；基于针尖极化电场实现铌酸锂和铁酸铋铁电薄膜电畴精准调控，进而分析畴壁附近电荷分布和畴壁电流的温度敏感特性，验证畴壁导电作为温度传感器件核心单元的可行性，奠定了铁电薄膜在辐照环境下高精度传感的应用前景。全书具体内容如下：
① 优化薄膜生长方式，获得抗辐照铁酸铋薄膜和铌酸锂单晶薄膜，通过压电力显微镜成像与晶相结构分析，可以看到铁酸铋与铌酸锂薄膜具有纳米量级表面粗糙度以及良好的结晶取向，制备三明治结构的铁酸铋电容元件，为后续电流传感功能验证奠定基础。
② 利用压电力显微镜调控外延铁酸铋薄膜实现电畴可控翻转，通过样品旋转表征面内外电畴极化结构，定性分析内部电畴分布规律。利用导电探针施加极化电场实现电畴动力学调控，翻转电畴的稳定性满足吉布斯自由能理论，探针极化引起面内电场分量促进了面内电畴翻转，且能够在高温和长时间作用下保持稳定。对导电基底上的铁酸铋薄膜进行针尖电场极化，研究表明当外加激励超过矫顽电场时，能够实现面内和面外电畴同时翻转，即铁酸铋电畴发生180°翻转，且翻转电畴在高温下保持稳定。
在此基础上利用压电力显微镜调控铌酸锂单晶薄膜的电畴动力学过程，通过针尖脉冲极化方式在700nm 的铌酸锂薄膜上实现贯穿式点阵列电畴，系统分析电场幅值和极化时间对电畴动力学的影响机制，探索稳定可靠的电畴极化参数，形成的稳态电畴能稳定保持30 天以上且无明显的退极化，而施加反向电场则能够轻松将翻转电畴初始化为原生状态，同时翻转电畴具有良好的抗辐照特性，验证了电畴翻转作为抗辐照功能单元的可靠性与稳定性。
③ 利用导电力显微镜实现了纳米尺度下畴壁附近导电载流子表征与调控，探究电场影响下单点的畴壁导电特性。基于铁酸铋薄膜180°电畴稳定翻转，实现畴壁良好的导电特性（pA～ nA 量级），该导电特性明显高于电畴内部区域；利用针尖电场对铌酸锂薄膜进行密集点阵列极化，形成的畴壁处也表现出明显提升的导电性。通过分析电场加载下畴壁导电性变化可知，畴壁导电具有明显的电压调制及整流特性，结合温度作用下畴壁电流规律可知，在特定温度区间内具有高精度传感优势。
本书由乔骁骏、耿文平、丑修建编写，第1、3～5 章由乔骁骏编写，第2 章由耿文平和丑修建编写，乔骁骏负责全书的统稿工作。本书在编写过程中参考了大量文献，在此谨向相关作者表示感谢！
因笔者水平所限，书中不足之处，敬请读者批评指正。

著者

乔骁骏，现为中北大学讲师，博士毕业于中北大学仪器科学与技术（A类）专业，主持并参与山西省自然科学基金、国家自然基金面上项目2项、科技部重点研发计划1项、GF基础科研项目1项。长期专注于铁电材料的纳米尺度性能调控与器件设计研究，目前已在Science China Materials，IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS，Journal of Materials Chemistry C等知名期刊发表SCI论文30余篇，申请发明专利8项，授权7项。

本书聚焦于铁电材料纳米尺度电畴调控及其温度敏感机理分析，将铁电薄膜生长优化与压电力显微镜纳米探针极化调控技术相结合，详细探讨了铁酸铋薄膜与铌酸锂单晶薄膜百纳米量级电畴反转调控规律，揭示了不同极化调控作用下铁电电畴动态机制，研究了不同极化取向之间的畴壁导电效应及温度敏感机理。
本书可以作为从事电子信息功能材料及器件研究，尤其是从事铁电材料研究人员的参考书，也可以作为高等学校、科研院所高年级本科生和研究生的教学、科研用书。

第1章 绪论001
1.1　铁电电畴调控及传感的发展现状002
1.2　空间辐照及传感004
1.2.1　空间辐照环境004
1.2.2　铁电薄膜抗辐照005
1.3　电畴工程在铁电器件中的应用006
1.4　畴壁调控及界面传输016
1.5　本书主要内容与意义024
1.5.1　本书主要内容024
1.5.2　意义025
参考文献026

第2章 铁电抗辐照传感器理论036
2.1　铁电抗辐照机理验证037
2.2　电畴调控及畴壁导电038
2.3　抗辐照温度传感设计047
本章小结049
参考文献049

第3章 抗辐照铁电薄膜制备与表征051
3.1　铁酸铋外延铁电薄膜制备与表征052
3.1.1　脉冲激光系统与薄膜沉积052
3.1.2　铁酸铋功能薄膜表征055
3.2　铌酸锂铁电单晶薄膜制备与表征059
3.2.1　离子注入与铁电单晶薄膜制备059
3.2.2　铌酸锂铁电单晶表征060
3.3　铁电电畴极化与表征061
3.4　铁电畴壁导电性表征064
本章小结065
参考文献065

第4章 基于针尖极化的铁电电畴调控067
4.1　铁酸铋铁电薄膜压电性表征068
4.2　铁酸铋铁电薄膜铁电畴调控075
4.2.1　铁酸铋铁电薄膜电畴表征075
4.2.2　外场作用下铁酸铋电畴精准调控082
4.3　单晶铌酸锂铁电薄膜压电性表征094
4.4　铁电单晶铌酸锂薄膜电畴调控096
4.4.1　铌酸锂铁电薄膜电畴表征096
4.4.2　铌酸锂薄膜电畴纳米量级精准调控105
4.4.3　铌酸锂薄膜电畴翻转抗辐照111
本章小结113
参考文献114

第5章 基于导电畴壁的温度传感器件119
5.1　畴壁界面导电特性121
5.2　基于畴壁的温度传感功能验证134
5.3　基于畴壁导电的温度传感器件研究137
本章小结145
参考文献146