铁电薄膜漏电流机理的第一性原理研究

发布时间：2017-10-23 19:13

  本文关键词：铁电薄膜漏电流机理的第一性原理研究

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【摘要】：铁电材料由于具有优良的物理学性能而广泛用于各种多功能电子器件,特别是铁电存储器。铁电存储器是一类非挥发性存储器,它克服了传统的存储器的缺点。但由于铁电失效问题,铁电存储器的发展速度一直很缓慢。而随着铁电薄膜的尺寸不断减小,当其达到微米或纳米数量级时,漏电流是引起铁电薄膜铁电失效的主要原因。铁电薄膜漏电流直接关系到铁电存储器能否得到实际的应用,其相关研究一直是科学研究的热点。影响铁电存储器漏电流的因素除了薄膜的厚度外还有很多,如界面、工艺温度、缺陷和畴壁等。而在众多因素中,最常见和所占比例最高的两种因素是缺陷和畴壁。在本论文中,我们主要采用第一性原理计算方法,系统研究了缺陷和畴壁对铁电薄膜漏电流的影响。首先,我们以Pb Ti O3铁电薄膜材料为研究对象,研究了氧空位缺陷对漏电流的影响。研究发现,氧空位缺陷很容易扩散至界面处,而且随着氧空位缺陷往界面靠近,薄膜的漏电流逐渐增大。我们通过金属阳离子掺杂发现,Cu、V掺杂对氧空位缺陷有钉扎作用,并使其漏电流减小,而Fe、Al掺杂使其漏电流增大。但由于V的离子半径比Cu更接近于Ti的离子半径,所以V比Cu更容易掺入铁电薄膜中。因此V更加适合用于掺杂抑制铁电薄膜漏电流的大小。这一结论为抑制氧空位缺陷引起的漏电流找到了新的方法。其次,我们系统的研究了180°畴壁对铁电薄膜漏电流的影响。研究表明垂直于电极的180°畴壁大大增加了铁电薄膜的漏电流,而平行于电极的180°畴壁使铁电薄膜中漏电流减小。通过计算透射系数和能带结构,我们指出垂直于电极的180°畴壁漏电流增加的主要原因是180°畴壁引入了额外的电子输运通道,且减小了铁电薄膜的带隙。我们的研究表明可以通过减少垂直于电极的180°畴壁或控制其畴壁的方向来抑制铁电薄膜的漏电流,这些理论研究为提高铁电储存器的性能有着重要的理论指导意义。
【关键词】：铁电薄膜 氧缺陷 畴壁 漏电流 第一性原理
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 引言9
• 1.2 铁电材料简介9-11
• 1.3 铁电存储器的研究及其发展现状11-14
• 1.3.1 铁电存储器的类型与应用11-12
• 1.3.2 铁电存储器的失效问题12-14
• 1.4 铁电薄膜漏电流研究概述14-16
• 1.4.1 漏电流的导电机理14-15
• 1.4.2 漏电流的主要影响因素15-16
• 1.5 本论文的研究目的与意义16-17
• 第2章 基础理论与计算方法17-22
• 2.1 第一性原理与密度泛函理论17-19
• 2.1.1 Hohenberg-Kohn理论17-18
• 2.1.2 Kohn-Sham方程18-19
• 2.1.3 交换关联函数19
• 2.2 非平衡格林函数及输运性质的计算19-20
• 2.3 第一性原理计算软件20-22
• 2.3.1 VASP软件包20-21
• 2.3.2 ATK软件21-22
• 第3章 氧空位缺陷对铁电薄膜漏电流的影响及其调控22-29
• 3.1 引言22-23
• 3.2 计算方法与模型23
• 3.3 结果与讨论23-27
• 3.3.1 氧空位缺陷对漏电流的影响23-25
• 3.3.2 阳离子掺杂对氧缺陷引起的漏电流的抑制25-27
• 3.4 结论27-29
• 第4章 畴壁对铁电薄膜漏电流的影响29-38
• 4.1 引言29-30
• 4.2 垂直于电极的 180°畴壁对漏电流的影响30-34
• 4.2.1 计算方法与模型30-31
• 4.2.2 结果与讨论31-34
• 4.3 平行于电极方向的 180°畴壁对漏电流的影响34-37
• 4.3.1 计算方法与模型34-35
• 4.3.2 结果与讨论35-37
• 4.4 结论37-38
• 第5章 总结与展望38-40
• 5.1 工作总结38
• 5.2 工作展望38-40
• 参考文献40-45
• 致谢45-46
• 个人简历、攻读硕士学位期间发表的学术论文46

【参考文献】

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2 谢颖,强亮生,仲华,于海涛,付宏刚;钛酸铅和钛酸钡振动性质及铁电相变的密度泛函理论研究[J];化学学报;2005年06期

3 王耘波 ,李东 ,郭冬云;几种新型非易失性存储器[J];电子产品世界;2004年03期

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本文编号：1084939