HfO 2 铁电薄膜畴壁微观结构和演化的第一性原理研究
发布时间：2021-11-14 09:29
氧化铪由于具有优良的硅工艺兼容性,有望成为最具潜力的新一代铁电材料。然而目前国内外对其核心特征—铁电畴（或畴壁）的结构和演化的研究较少,尤其在理论上仍处于空白阶段。阐明氧化铪铁电薄膜的畴壁结构及其演化规律有利于深入了解材料的物理机制,对实现氧化铪基铁电存储器件的大规模应用具有重要意义。因此,本文基于密度泛函理论对氧化铪铁电薄膜中可能存在的畴壁结构及其演化进行了研究,从畴壁演化的角度揭示了氧化铪铁电体的极化翻转和铁电性激活的微观机制,并对典型畴壁的电子结构和氧缺陷分布进行了分析。具体研究内容如下:（1）氧化铪从高对称的立方相到低对称的正交铁电相转变过程中可以产生6种变体（忽略相反的极化方向）。基于这6种变体预测并构建了10种不同类型的铁电畴壁,包括三种180°畴壁、三种极化旋转90°畴壁和四种极化倾斜90°畴壁。（2）在对180°畴壁进行预测和计算后确定了三种180°畴壁的原子结构,得到了每种结构的畴壁能,同时也模拟了畴壁的迁移。其中type-1的畴壁能最低,为-21.2 m J/m2,这是氧化铪薄膜中最有可能存在的畴壁结构。这种畴壁的迁移极有可能是氧化铪铁电薄膜中...
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
铁电体的电滞回线
湘潭大学硕士学位论文2图1.1铁电体的电滞回线铁电材料的铁电性通常只存在于一定的温度范围内。当温度过高时，铁电材料将由铁电相转变为顺电相，自发极化消失，这种转变称为铁电相变，该温度称为居里温度或居里点。如图1.2所示，当温度小于居里温度时，极化与能量的关系曲线有两个极小值，分别对应于等值相反的两种极化状态，能量呈现双势阱分布，此时晶体表现为铁电相；当温度大于居里温度时，极化与能量关系曲线只在极化为零时有一个极小值，能量呈单势阱型分布，此时顺电相是稳定相。以我们的研究对象氧化铪为例，常温常压下表现为单斜相，当温度高于2050K时表现为四方相，而温度在2830K以上时表现为立方相[2]，在特殊的外界条件比如压力、掺杂、氧空位下氧化铪也可以呈现正交铁电相。且研究表明氧化铪正交铁电相的极化是由其中的八个氧离子沿着[001]方向发生偏移导致的，由于氧离子偏移了平衡位置，使晶体的中心对称性消失，从而表现出铁电特性。图1.2铁电材料在居里温度附近的能量变化一般认为关于铁电材料的研究工作开展于1920年，法国人Valasek在罗息盐
第1章绪论3中发现了介电性能，从而导致“铁电性”概念的出现。关于铁电材料的研究主要经历了以下四个时期，延续到今日人们对铁电材料有了越来越深刻的认识。第一个就是以罗息盐的研究为主的“罗息盐时期”。Valasek因为在罗息盐中发现的特殊性能，提出了铁电体的概念，测量出了材料的压电、介电、热释电等一系列相关现象，并绘制和公开了第一条电滞回线图。第二个是磷酸二氢钾(KDP)时期，这一时期是铁电材料研究历史上的重要时期。在1935年Busch发现磷酸二氢钾(KH2PO4)[3]也具有铁电材料的特性，在这一时期铁电、铁电热力学、朗道—德文希尔理论等领域的研究开始建立和完善。第三个是钙钛矿时期。在这一时期各位学者相继在BaTiO3等钙钛矿材料中也发现了铁电性能，并利用BaTiO3铁电材料制造出了电容器和压电传感器等器件。唯象理论、铁电软模理论[4]也在这一时期被建立，人们开始对铁电材料的内部结构以及相变特点进行了解。第四个是铁电薄膜与器件时期。1980年是铁电薄膜制造技术飞速发展的起点，同时激发了人们开发铁电薄膜器件的热情,对微型化器件的不断需求也加速了这一研究的进程。1.1.2铁电材料的应用铁电材料因其丰富的物理特性而受到了许多领域的关注。如图1.3所示，利用铁电材料的介电性可以制备探测器，热释电性可以用于制造红外探测器，压电特性则符合压电传感器的要求，利用它的光电效应可以生产光调制器，除此以外它还具备声光效应和光折变效应，这些独特的物理效应决定了铁电材料的广泛应用。但我们最关注的是铁电材料的铁电性，正是因为铁电性的存在，铁电材料才成为了信息时代的宠儿，例如以铁电材料的铁电性能为基础的铁电存储器已经得到了广泛应用。图1.3铁电材料的物理性能
本文编号：3494388
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
铁电体的电滞回线
湘潭大学硕士学位论文2图1.1铁电体的电滞回线铁电材料的铁电性通常只存在于一定的温度范围内。当温度过高时，铁电材料将由铁电相转变为顺电相，自发极化消失，这种转变称为铁电相变，该温度称为居里温度或居里点。如图1.2所示，当温度小于居里温度时，极化与能量的关系曲线有两个极小值，分别对应于等值相反的两种极化状态，能量呈现双势阱分布，此时晶体表现为铁电相；当温度大于居里温度时，极化与能量关系曲线只在极化为零时有一个极小值，能量呈单势阱型分布，此时顺电相是稳定相。以我们的研究对象氧化铪为例，常温常压下表现为单斜相，当温度高于2050K时表现为四方相，而温度在2830K以上时表现为立方相[2]，在特殊的外界条件比如压力、掺杂、氧空位下氧化铪也可以呈现正交铁电相。且研究表明氧化铪正交铁电相的极化是由其中的八个氧离子沿着[001]方向发生偏移导致的，由于氧离子偏移了平衡位置，使晶体的中心对称性消失，从而表现出铁电特性。图1.2铁电材料在居里温度附近的能量变化一般认为关于铁电材料的研究工作开展于1920年，法国人Valasek在罗息盐
第1章绪论3中发现了介电性能，从而导致“铁电性”概念的出现。关于铁电材料的研究主要经历了以下四个时期，延续到今日人们对铁电材料有了越来越深刻的认识。第一个就是以罗息盐的研究为主的“罗息盐时期”。Valasek因为在罗息盐中发现的特殊性能，提出了铁电体的概念，测量出了材料的压电、介电、热释电等一系列相关现象，并绘制和公开了第一条电滞回线图。第二个是磷酸二氢钾(KDP)时期，这一时期是铁电材料研究历史上的重要时期。在1935年Busch发现磷酸二氢钾(KH2PO4)[3]也具有铁电材料的特性，在这一时期铁电、铁电热力学、朗道—德文希尔理论等领域的研究开始建立和完善。第三个是钙钛矿时期。在这一时期各位学者相继在BaTiO3等钙钛矿材料中也发现了铁电性能，并利用BaTiO3铁电材料制造出了电容器和压电传感器等器件。唯象理论、铁电软模理论[4]也在这一时期被建立，人们开始对铁电材料的内部结构以及相变特点进行了解。第四个是铁电薄膜与器件时期。1980年是铁电薄膜制造技术飞速发展的起点，同时激发了人们开发铁电薄膜器件的热情,对微型化器件的不断需求也加速了这一研究的进程。1.1.2铁电材料的应用铁电材料因其丰富的物理特性而受到了许多领域的关注。如图1.3所示，利用铁电材料的介电性可以制备探测器，热释电性可以用于制造红外探测器，压电特性则符合压电传感器的要求，利用它的光电效应可以生产光调制器，除此以外它还具备声光效应和光折变效应，这些独特的物理效应决定了铁电材料的广泛应用。但我们最关注的是铁电材料的铁电性，正是因为铁电性的存在，铁电材料才成为了信息时代的宠儿，例如以铁电材料的铁电性能为基础的铁电存储器已经得到了广泛应用。图1.3铁电材料的物理性能
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