Universidade de São Paulo

Escola de Engenharia de Lorena – EEL

CÁTIA GISELE PINTO

MARIANE CAPELLARI LEITE DA SILVA

“Seminário de Eletrônica e Instrumentação: Memória Ferroelétrica”

Prof. Responsável: Prof. Dr. Carlos Y. Shigue

v.1

Lorena

2009

Monografia apresentada no curso de Eletrônica e Instrumentação da Engenharia de Materiais da EEL-USP

1

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO 1

2 DESENVOLVIMENTO

1.2 Histórico 1

1.2.1 Fundamentos da Ferroeletricidade 1

1.2.1.1 Histerese Ferroelétrica 3

1.2.2 Estrutura perovskita 6

1.2.3 Filmes Finos Ferroelétricos 8

1.2.4 Memória Ferroelétrica 9

1.3 FERAM 11

1.4 CONCLUSÃO 13

1.5 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 13

2

1 Introdução

Este trabalho visa estudar os princípios de funcionamento de uma memória ferroelétrica,

que, por sua vez, está diretamente ligado ao estudo de ferroeletricidade. Serão apresentados os

conceitos básicos de ferroeletricidade e memória ferroelétrica.

2. DESENVOLVIMENTO

2.1 Histórico

Cristais e cerâmicas ferroelétricas têm sido estudados desde a primeira metade do século 20,

com a descoberta, em 1921, do tartarato tetra hidratado de sódio e potássio (NaKC4H4O6.4H2O),

conhecido como Sal de Rochelle, que é um material que apresenta polarização espontânea abaixo

do ponto de Curie, que pode ser revertida com a aplicação de um campo externo. Foram estes

estudos que conduziram ao que conhecemos hoje de ferroeletricidade1.

O principal interesse nessas pesquisas reside no fato que tais materiais apresentam

propriedades com grande potencial para aplicações tecnológicas.

2.2 Fundamentos da Ferroeletricidade

A ferroeletricidade é um fenômeno apresentado por alguns cristais que possuem dois centros

de cargas elétricas com sinais opostos, chamados dipolos, separados por uma pequena distância.

Esses dipolos podem ser direcionados por meio de um campo elétrico aplicado ao material,

processo chamado polarização2.

De forma geral, um cristal pode ser definido como ferroelétrico se exibir uma polarização

espontânea na ausência de um campo elétrico externo, numa certa faixa de temperatura, e uma

reversibilidade dos dipolos elétricos na presença de um campo elétrico externo, processo

conhecido como chaveamento ferroelétrico1.

3

No estado ferroelétrico, os centros das cargas positivas não coincidem com o centro das

cargas negativas, havendo um desequilíbrio de cargas elétricas, dando origem a um cristal

ferroelétrico, como mostra a Figura 1. Ou seja, os materiais ferroelétricos são “dielétricos

especiais”, por possuírem uma polarização espontânea mesmo na ausência de campo elétrico

externo. A orientação da polarização espontânea pode ser modificada pela aplicação de um

campo elétrico externo.

Figura 1: Representação da célula unitária do titanato de bário (BaTiO3): A) com centro simétrico no

estado paraelétrico (T≥Tc) e B) com centro assimétrico (T≤Tc)2.

O comportamento ferroelétrico é observado em intervalos de temperatura delimitados pela

Temperatura de Curie (TC), onde acima desta temperatura a ordem ferroelétrica é destruída e o

material assume uma fase não polarizada, denominada fase paraelétrica3. A propriedade

ferroelétrica de um material surge devido a uma pequena distorção da estrutura cristalográfica de

sua fase paraelétrica, de maneira que a simetria na fase ferroelétrica é menor que na fase

paraelétrica. Sendo assim, pode-se dizer que o ponto de Curie é a temperatura a partir da qual a

estrutura cristalina do material se torna mais simétrica1.

Em um material ferroelétrico não polarizado, os domínios ferroelétricos (concentração de

dipolos em uma mesma direção) apresentam orientações aleatórias, como indicado na Figura 2

(a), exibindo uma polarização total nula do ponto de vista macroscópico. A aplicação de um

campo elétrico externo faz com que todos os domínios tendam a assumir a mesma orientação em

relação ao campo elétrico aplicado, Figura 2 (b), levando a uma máxima orientação dos dipolos

elétricos.

4

Com a remoção do campo elétrico externo, a maioria dos domínios ferroelétricos tende a

permanecer orientados, como ilustrado na Figura 2 (C), produzindo assim um efeito de

memória4.

Figura 2: Domínios ferroelétricos: (a) representa um conjunto de domínios com orientação aleatória,

no seu estado natural; (b) orientação dos domínios em uma dada direção devido à aplicação de um campo

elétrico externo; e (c) os domínios permanecem orientados com a retirada do campo elétrico, mas alguns

tendem a voltar ao estado de origem, não acontecendo devido a polarização do material5.

Após a retirada do campo elétrico, alguns domínios tenderão a voltar ao seu estado original,

mas a grande maioria permanecerá com a conformação obtida como quando foi aplicado o

campo. Com a inversão do campo, o fenômeno se repete provocando assim, uma polarização

espontânea que pode ser representada pela histerese ferroelétrica 5, que é a principal

característica do efeito de memória nos ferroelétricos.

2.2.1 Histerese Ferroelétrica

A ilustração deste fenômeno representada de forma gráfica, que relaciona a polarização em

função do campo elétrico aplicado, mostra a resposta dos domínios ferroelétricos quando o

campo está aplicado e após a sua retirada 5, isto é, fisicamente há um atraso do vetor campo

elétrico em função do vetor polarização. Daí o nome histerese que significa “volta atrás”1.

A curva de histerese é a medida mais importante a ser feita num material ferroelétrico para

caracterizar seu comportamento elétrico. Esse ciclo é muito similar ao ciclo magnético obtido

5

para um material ferromagnético. O nome "ferroelétrico" foi adaptado devido a essa

similaridade, embora não exista o elemento ferro como principal constituinte em materiais

ferroelétricos7.

As curvas de histerese podem ser de vários tipos e formas e, semelhante a uma impressão

digital, podem identificar o material de uma forma específica. A Figura 3 apresenta algumas

formas típicas para os ciclos de histereses:

(a) representa um material dielétrico (paraelétrico), típico de um capacitor;

(b) um ciclo altamente não-linear de baixo campo coercitivo (típico de uma memória

ferroelétrica);

(c) um ciclo estreito não-linear, característico de um material relaxor;

(d) um ciclo duplo típico de não memória, obtido para um material antiferroelétrico.

Figura 3: Curvas de histerese típicas de vários tipos de cerâmicas ferroelétricas: (a) capacitor; (b)

memória ferroelétrica; (c) relaxor, e (d) material antiferroelétrico 6 .

6

Podem-se obter diversas informações sobre o material analisando-se as curvas de histerese.

Da Figura 3 pode-se verificar que o ciclo em (b) revela que o material tem memória, ao passo

que o ciclo em (c) não indica memória.

Para os materiais que apresentam memória (Fig.3b), a alta polarização remanescente (Pr)

demonstra a alta polarizabilidade interna. A curva de histerese é fortemente influenciada pela

microestrutura do material. Para um dado material, o campo coercitivo (Ec) é um indicativo do

tamanho de grão, isto é, baixo Ec significa maior tamanho médio de grão. Um deslocamento do

ponto de tensão zero (normalmente a curva de histerese é simétrica) indica a presença de cargas

espaciais originadas de dipolo internos6.

A curva de histerese para memória ferroelétrica pode ser observado na Figura 4. Em que o

cristal apresenta no estado inicial domínios ferroelétricos orientados aleatoriamente (O). Se for

aplicado primeiramente um campo elétrico pequeno, somente uma relação linear entre a

polarização e o campo elétrico existe (segmento OA), porque os domínios ficam em sua

configuração inicial. Os pontos (D) e (H) são as configurações estáveis para E=0, onde alguns

domínios ferroelétricos permanecerão alinhados na direção positiva ou negativa e o cristal

exibirá uma polarização remanescente (Pr). A extrapolação do segmento (BC) até o eixo de

polarização nos dá a polarização espontânea. O valor do campo elétrico externo necessário para

que a polarização P seja reduzida à zero chama-se campo coercitivo (Ec). Se o campo elétrico

aumenta na direção negativa até (G), uma nova rotação ocorrerá e os dipolos se alinharão nesta

direção, podendo os domínios experimentar uma nova reorientação se invertermos o campo, e o

ciclo se repetirá2.

7

Figura 4: Ciclo de histerese ferroelétrica4.

2.2.2 Estrutura Perovskita

Alguns cristais ferroelétricos importantes podem apresentar uma estrutura conhecida como

perovskita, genericamente esta classe de estrutura pode ser representada pela formula ABO3,

onde os sítios A podem ser ocupados por cátions divalentes (Pb2+, Ba2+, Ca2+...), enquanto os

sítios B, no centro do octaedro de oxigênio, podem ser ocupados por cátions divalentes,

trivalentes, tetravalentes ou pentavalentes ( Nb5+, Mg2+, Ti4+, Zr4+, La3+), como ilustra a Figura 5

(a). Esta estrutura pode ser descrita como uma célula unitária cúbica com os cátions maiores (A)

nos vértices da estrutura, cátions menores no centro da estrutura e oxigênios (O) ocupando o

centro das faces. A estrutura é uma rede ligada pelos vértices, com os oxigênios formando um

octaedro e os átomos maiores formando um dodecaedro. Na Figura 5 (b) a mesma estrutura pode

ser visualizada sob o ponto de vista dos octaedros de oxigênio BO6. Nesta configuração a célula

unitária é representada com os cátions menores nos vértices de um cubo, os cátions maiores no

centro da estrutura e os íons de oxigênio nas extremidades (Figura 5b)8.

8

Figura 5: (a) típica estrutura perovskita ABO3 e (b) estrutura perovskita do ponto de vista

dos octaedros de oxigênio BO61.

Esse tipo de estrutura (ABO3) apresenta simetria cúbica em altas temperaturas, porém pode

apresentar distorções ou deslocamentos atômicos, provocando assim a perda da simetria para

temperaturas baixas5, em que o íon central é deslocado da posição central e a célula unitária se

deforma assumindo uma célula em que não há um centro simétrico, como tetragonal,

romboédrica ou monoclínica9. Como mostra a Figura 6.

Romboédrica Monoclínica Tetragonal Cúbica

Figura 6: Esboço das transições estruturais que ocorrem com a estrutura perovskita com o aumento

da temperatura da esquerda para direita9.

Para a ferroeletricidade, esta falta de simetria da célula unitária é muito importante, pois estes

pequenos deslocamentos e distorções provocam a polarização espontânea que resulta num dipolo

Romboédri Monoclínic Tetragonal Cúbica

9

elétrico permanente. Ou seja, com o alinhamento dos dipolos adjacentes polariza-se primeiro à

rede, que posteriormente, se estende pelas células unitárias, intensificando um campo interno que

provoca, assim, a polarização espontânea5.

2.2.3 Filmes Finos Ferroelétricos

Filmes finos ferroelétricos têm atraído consideravelmente atenção pela potencial aplicação

em memória de acesso aleatório ferroelétrica não volátil. A geometria de filmes finos oferece

muitas vantagens para a produção de dispositivos para a microeletrônica e ótica integrada, se

comparado com o análogo corpo cerâmico ou cristal. O interesse na tecnologia de filmes finos

ferroelétricos está diretamente associado ao particular potencial que oferecem como dispositivos

de memórias não voláteis devido à velocidade de acesso, alta densidade e operação a baixa

voltagem. Tais dispositivos têm um grande potencial e têm sido amplamente utilizados como

memórias ferroelétricas não voláteis, por possuírem um potencial de acesso a alta velocidade,

alta densidade, resistente a radiação, e baixa tensão operacional5.

Porém, o fenômeno da ferroeletricidade exibe uma dependência intrínseca com relação à

dimensão das amostras devido ao diferente grau de ordenamento que se estabelece em

superfícies ou nas interfaces. Por esta razão, as propriedades mecânicas, elétricas, dielétricas e

ferroelétricas em filmes finos são fortemente influenciadas por fatores tais como espessura dos

filmes, tamanho de grãos, microestrutura, efeitos interfaciais, o stress devido aos substratos,

entre outros. Em que há um limite crítico para a o tamanho das amostras, abaixo do qual o

fenômeno da ferroeletricidade é suprimido, e também há uma espessura limite abaixo da qual o

efeito de polarização não é observado.

De forma geral, os estudos reportados sobre a supressão da ferroeletricidade em

determinados materiais ferroelétricos contribuíram para um avanço significativo para a

compreensão deste fenômeno e para o avanço no desenvolvimento de dispositivos para

aplicações tecnológicas. Entretanto, este fenômeno ainda exige uma maior investigação e

formulação teórica além daquelas existentes atualmente1.

10

2.4 Memória Ferroelétrica

Um chip de memória é um circuito integrado (CI), feito de milhões de transistores e

capacitores. O capacitor mantém o bit de informação: um 0 ou um 1, e o transistor age como uma

chave que permite ao circuito de controle no chip de memória ler o capacitor ou mudar seu

estado12. Memórias ferroelétricas são dispositivos eletrônicos utilizados para armazenar

informações na forma de sinais elétricos10.

A polarização é a quantidade de carga elétrica, na forma de dipolos elétricos, que pode

ser armazenada em um dado volume de material10. As memórias ferroelétricas são polarizadas de

um lado e tem-se uma informação, bit “0”, polariza-se do outro e tem-se outra informação, bit

“1”, figura 7. Estas memórias são baseadas em memórias binárias, nas quais ao invés de utilizar

o campo magnético utiliza-se o elétrico9.

Figura 7 a), b), c). Esquema da escrita/ leitura da memória ferroelétrica11.

a)

b)

c)

Pulso

Tempo

11

As memórias ferroelétricas comparadas às magnéticas apresentam menor perda de

memória, maior estabilidade quando em altas temperaturas, não apresentam problemas de

despolarização, porém são mais caras e armazenam menor quantidade de informações. Apesar

disso, a memória ferroelétrica é ideal para o uso em cartões de bancos e aparelhos de telefonia

celular, devido à sua difícil desmagnetização; enquanto as magnéticas apresentam vantagens na

utilização em discos rígidos e aparelhos como o iPod, devido à sua característica de melhor

armazenamento9.

O circuito eletrônico que forma uma memória ferroelétrica é mostrado na figura 8. Do

ponto de vista digital, se uma voltagem for aplicada ao capacitor ferroelétrico na direção inversa

da original, os domínios remanentes serão alterados, o que irá requerer uma carga de

compensação fluindo no capacitor. Se o campo for aplicado na direção do campo aplicado

original, nenhuma mudança ocorrerá, não haverá alterações na carga de compensação, e uma

quantidade de carga reduzida fluirá no capacitor. Essa propriedade pode ser usada para ler ou

escrever o estado no capacitor11.

Figura 8. Esquema da configuração de uma memória ferroelétrica11.

Segundo Zanetti, há dois tipos de memória ferroelétrica, uma mémoria não-volátil, ou

seja, que mantém os dados no caso de queda de energia, chamada ROM (“read only memory”) e

uma memória de acesso rápido, chamada RAM (“random acess memory”). A memória ROM

possui baixa velocidade de escrita e leitura, enquanto a FERAM possui altos ciclos de reescrita e

12

alta velocidade de escrita. Devido a essas características as memórias FERAM têm sido

consideradas a memória ideal no futuro7.

2.4.1 FERAM

Segundo Zanetti, há diversas configurações possíveis de memórias. A clássica consiste

em um substrato de silício que sofre uma oxidação superficial controlada formando a camada

SiO2, um dielétrico de constante dielétrica, k, de aproximadamente 4; o eletrodo metálico é

depositado sobre o óxido formando um transistor MOS (metal-óxido-semicondutor). Para evitar

a interdifusão de óxido de silício através do silício, são utilizados materiais metálicos estáveis

como eletrodos inferiores. Forma-se com o eletrodo de material metálico a configuração MFM

(metal-ferroelétrico-metal); a MFS (metal-semicondutor-metal), na qual um filme ferroelétrico

substitui o óxido; a MFIS (metal-ferroelétrico-isolante-semicondutor), na qual um filme

ferroelétrico é inserido entre o ferroelétrico e o Silício, evitando difusão; e MFMIS (metal-

ferroelétrico-metal-isolante-semicondutor), na qual um metal é inserido entre a camada

ferroelétrica e o dielétrico7. Essas configurações são apresentadas na figura 9.

13

Figura 9. Configurações de memórias FERAM. a) tipo MFM (metal-ferroelétrico-metal); b) tipo MFS,

metal-ferroelétrico-semicondutor; c) tipo MFIS, metal-ferroelétrico-isolante-semicondutor; d) tipo

MFMIS, metal-ferroelétrico-metal-isolante-semicondutor7.

Segundo Zanetti, o material utilizado em memórias ferroelétricas deve apresentar alta

polarizabilidade, uma constante dielétrica razoável e alta velocidade de inversão de domínios

com a aplicação de baixas voltagens, aproximadamente 3V nos dispositivos atuais. Outra

propriedade importante para o desempenho de filmes ferroelétricos para aplicação em memórias

é a resistência à fadiga ferroelétrica, que consiste na perda de capacidade de polarização após

vários ciclos de polarização e despolarização. Assim, depois de algum tempo, a aplicação de um

campo tende à não produzir efeito algum na orientação dos domínios7.

14

3 CONCLUSÃO

Diante das informações obtidas, pode-se observar que a memória ferroelétrica é uma

memória que tende a ser muito utilizada por causa, principalmente, de sua não despolarização e menor perda de energia.

4 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] FELIX, A. A. Estudo da estabilização da fase perovskita PMN em filmes ultrafinos. 2009.

Dissertação (Mestrado) – Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, Universidade Estadual

Paulista, Ilha Solteira, 2009.

[2] FUJINO, R. T. Transições de fases estruturais em cerâmicas ferroelétricas do sistema PMN-

PT. 2006. Dissertação (Mestrado) - Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, Universidade

Estadual Paulista, Ilha Solteira, 2006.

[3] CALLISTER JÚNIOR, W. D. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 5ed. Rio

de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 2002

[4] GUARANY, C. A. Estudo de materiais ferroelétricos por espectroscopia no infravermelho.

2004. 89f. Dissertação (Mestrado) - Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, Universidade

Estadual Paulista, Ilha Solteira, 2004.

[5] NAHIME B. O. Síntese e caracterização estrutural de filmes finos Bi4Ti3O12.2007.

Dissertação (Mestrado) - Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, Universidade Estadual

Paulista, Ilha Solteira, 2007.

[6] HAERTLING, G. H. Ferroelectric ceramics: History and technology. J. Am. Ceram. Soc. 82

(4):797, 1999.

15

[7] ZANETTI, S. M. Preparação e caracterização de filmes finos ferroelétricos de SrBi2Nb2O9 e

SrBi2Ta2O9 obtidos por método químico. 2001. Tese (Doutorado) – UFSCAR, São Carlos, 2001.

[8] KITTEL, C. Introduction to solid state physics. 2ed. New York: Wiley, 1996, p.1-617

[9]http://www.clickciencia.ufscar.br/portal/edicao14/materia2_detalhe.php. Acesso em 27/05/09

as 16:40.

[10]www.liec.ufscar.br/ceramica/curiosidades/ferroeletrico.php. Acesso em 27/05/09 as 16:55.

[11]http://scholar.lib.vt.edu/theses/available/etd-050699-154541/unrestricted/Chapter1.pdf

Acesso 31/05/09 21:00.

[12]http://informatica.hsw.uol.com.br/memoria-ram.htm.Acesso 31/05/09 21:14.