图1.1柔性可穿戴电子设备

柔性可穿戴电子设备的核心部分自然是半导体器件部分，包括MOS(metal-oxide-semiconductor)场效应管和具有压电效应的铁电电容器。作为铁电存储单元的电容器的核心是尺寸在纳米级的铁电薄膜，它要具有优异的压电性，良好的柔性和温度稳定性，使得它们获得微型化、柔性化和可大规模集成的性能[1,2]。开始人们发现P(VDF-TrFE)等有机铁电材料具有极高的柔韧性，适合柔性设备的需求，但是很快发现它们的极化开关速度慢、压电系数小、温度稳定性差[3-6]。相比而言，诸如PbZr0.52Ti0.48O3（PZT）的氧化物铁电体具有极化率高、开关速度快、压电系数较高以及温度稳定性好等优点，在MEMS(micro-electromechanicalsystems)和非易失性存储器（NVM,non-volatilememory）中得到广泛的应用[7-9]。

但另一方面，由于大多数氧化物单晶是硬而脆的，在>4％应变下就会发生断裂，PZT也不例外，因此对于柔性电子器件中使用的氧化物铁电体薄膜来说是一个很大的挑战。氧化物铁电体薄膜通常生长在硬质SrTiO3(STO)、LaAlO3、Si等厚度>0.1mm，弹性应变（Smax）较小的刚性基板上。因此，生长出的铁电薄膜基异质结构也具有脆性和刚性特征，没有有机材料那样的柔性。一般来说，如果可以去除刚性基板，大多数独立的薄氧化膜则可以是柔性的[10-14]。柔性的PZT薄膜还可以通过直接在柔性衬底上生长的方式获得。对于柔性有机基片PMMA等，在500-700℃的条件下生长PZT等氧化膜仍然存在困难，因为这些基底会在400℃以上时发生分解。但是我们发现氟化云母（AlF2O10Si33Mg）在700℃时仍然是透明稳定的。尤其是它具有类似于二维材料的层叠结构，因此可以通过机械剥离法从单晶云母分离出柔性的云母层薄片。因此我们采用云母晶体作为衬底生长柔性PZT器件。

1.2铁电材料介绍

1.2.1铁电体

铁电体在一定温度范围内稳定存在。在此状态下，铁电体的晶胞中的正电荷中心和负电荷中心不重合，表现出一个或多个偶极矩，表现为自发极化取向，并且其极化取向随着一定的外加电场（小于击穿电压）的改变会发生改变[15-16,18]。1920年发现的罗息盐揭开了铁电材料的崭新一页，而20年后以BaTiO3(BTO)为代表的钙钛矿结构材料成为铁电材料史上的又一里程碑式重大发现[17]。本实验中的PZT材料就属于这一结构。如图1.2为钙钛矿结构的模型。居里温度（Tc）是铁电材料的一个重要属性，即铁电相(Ferroelectricphase)与顺电相(Paraelectricphase)的转变温度。在Tc以下，铁电体为铁电相；在TC以上，铁电体为顺电相。铁电材料最明显的特征就是具有铁电回线。

图1.2PZT的钙钛矿晶胞结构模型示意图

如图1.3所示，当电场强度增加时，铁电体极化强度逐渐增加，这主要是由于畴壁的可逆滑移引起的；当电场强度至J点时，铁体极化接近饱和；再进一步增强电场(如JK段所示)，极化强度增加幅度明显减小，这主要是由于外加电场会对原有电偶产生感应作用。随着电场变为零时，此时铁电体仍具有一定程度的极化（如JP段所示），此时极化强度称为剩余极化强度，即Pr(Remanentpolarization)，通过反向延长KL得到的L点表示自发极化强度PS(Spontaneouspolarization)。施加反向电压至极化强度变为零（如LM段所示），M点的电场强度称为矫顽场强度Ec(Coercivefield)。通过对剩余极化强度、自发极化强度及矫顽场强度三个参量的表征，可衡量一种材料的铁电性能。

图1.3铁电回线

1.2.2铁电薄膜

将铁电体通过溅射、蒸发等物理气相沉积法或者金属有机化合物化学气相沉积法(MOCVD,Metal-organicChemicalVaporDeposition)等化学气相沉积法在衬底上生长几十纳米到几微米的结构，就得到了铁电薄膜。与传统块状铁电体相比，薄膜更易在超大规模集成电路中使用，并且工作电压更低，适用于高速运算的芯片。铁电薄膜越来越多的集成在超大规模集成电路中，由于其优异的铁电性能，已经成为下一代电子设备中的热门材料。