铁电功能材料及其应用研究

梁 坤

（湖北大学 材料科学与工程学院，湖北 武汉 430062）

0 引言

铁电材料是一类具有自发极化Ps(spontaneous polarization)，而且自发极化矢量可以在外电场作用下反转的电介质，这类材料的主要特征之一是具有铁电性，即电极化强度与外电场之间具有电滞回线的关系，同时还表现出其他特性如：压电效应、热释电效应、电光效应、声光效应、非线性光学效应以及铁电畴的开关效应等。铁电材料的发展经历了三个重要阶段：20 世纪20-30年代，以水溶性铁电单晶为代表；40－70年代，以铁电陶瓷为代表；70年代以后，以铁电薄膜为代表。早期铁电材料的用途主要是利用它的介电性、半导性等制作陶瓷电容器和各种传感器。激光和晶体管技术的日趋成熟，又促进了铁电薄膜的发展。80年代，随着铁电材料制备技术的发展，铁电材料可以制作一些特殊功能器件，使其广泛应用于电子技术、超声技术、红外技术等领域。90年代，随着微电子技术、光电子技术和传感器技术等的发展，对铁电材料提出了小型轻量、可集成等更高的要求，从而使大批新型铁电器件或器件原型不断涌现。所有这些特性，使得铁电体在红外探测器、声纳探测器、压电振荡器、非线性光学器件与铁电存储器等方面得到了非常广泛的应用。在铁电材料的许多应用中，铁电存储器尤其引人注目。铁电存储器既有动态随机存储器(DRAM)快速读写功能，又有可擦除只读存储器(EPROM)的非易失性，还具有抗辐射、功耗和工作电压低、工作温度范围宽、易与大规模集成电路兼容等特点，因而在铁电随机存储器(FRAM)、超大规模集成动态随机存储器(ULSI DRAM)、铁电存储器(FEMFET)、全光存储器等领域有广阔的应用前景。铁电材料和集成铁电器件在世界范围内引起了科技工作者的深切关注，成为当今功能材料和器件研究方面的一大热点。

1 铁电材料的基本类型

铁电材料主要包括钛酸盐系、铌酸盐系和锆酸盐系三类。目前广为研究的铁电材料有PbTiO3(PT)、PZT、PLZT、Pb1-xLaxTi1-x/4O3(PLT)、Pb(Mg，Zn)1/3Nb2/3O3(PMN)、(Ba0.17Sr0.13)TiO3、LiNbO3、Bi4Ti3O12、BaTiO3等。在现有的铁电材料中，比较令人满意和使用较多的是PT、PZT、PLZT 系列。这主要是由于它们具有良好的光学和电学性能，调整其化学组成可以满足电光、弹光及非线性光学等多方面的要求，但PZT 系铁电材料具有耐疲劳性能较差、易老化及漏电流大、不稳定等缺点。

2 铁电材料的研究热点

人们在不断对新材料体系进行了开发和研究中，发现了铋系层状钙钛矿结构的SrBi2Ta2O9(SBT)铁电材料，这类材料具有良好的抗疲劳特性，用其制作的FERAM，在1012次重复开关极化后，仍无显著疲劳现象，且具有良好的存储寿命和较低的漏电流。以高容量为主要要求的动态随机存储器(DRAM)常采用高介电常数(εr)的铁电材料作为电容器的介质材料。

与此同时，相当一些四方相和正交相钨青铜型结构的铌酸盐铁电材料由于其优越的性能也越来越引起人们广泛的关注，如Ba2NaNb5O15(BNN)、(Sr，Ba)Nb2O6(SBN)、Ba2-xSrxK1-yNayNb2O6(BSKNN)、(Pa，Ba)NbO2(PBN)等[5]。这类铁电体是主要的电光材料，但这些材料很难制备成单晶结构，这类材料已有一些报道。随着光电子学的发展，这类铁电材料将日益受到人们的重视。

3 结论

铁电材料具有优越的电学、非线性光学、电光、等一系列特殊性质，可以利用这些性质制作不同的功能器件，并可望通过铁电材料与其它材料的集成或复合，制作集成性器件。利用其电滞回线特性可制作非挥发性随机存取存储器，利用压电效应可制作声表面波延迟线及微型压电马达，利用热释电效应可制作红外热释电探测器，利用光电效应制作光波导等器件。目前，铁电材料主要应用于微电子学和光电子学，在这两大领域中，铁电材料均有重要的或潜在的用途。

［1］钟维烈.铁电物理学[M].科学出版社，1996.

［2］张良莹，姚熹.电介质物理学[M].西安交通大学出版社，1991.

［3］王仁卉，郭可信.晶体学中的对称群[M].科学出版社，1990.

［4］曲喜新，等.电子薄膜材料[M].科学出版社，1996.