钽酸锶铋薄膜的铁电和阻变性能及其多值存储特性

发布时间：2020-07-03 06:15

【摘要】：SrBi2Ta209(SBT)材料是一种类钙钛矿结构的铁电材料,具有优异的抗疲劳特性,且不含铅等重金属,对环境无污染;同时,SBT材料作为一种三元氧化物具有成为阻变介质的潜力,经过多次的实验探索,发现基于Pt/SBT/Pt结构的器件具有优异的双极性阻变性能。因此,基于Pt/SBT/Pt的器件同时具有铁电极化翻转特性和电阻转变特性,利用这两种转变特性可以实现多值存储。本文采用溶胶凝胶法制备SBT薄膜,通过扫描电子显微镜(SEM),原子力显微镜(AFM),X射线衍射仪(XRD)等设备来表征薄膜的形貌和结构,利用铁电分析仪来测试分析薄膜的铁电性能,利用半导体分析仪来测试分析薄膜的半导体性能和阻变性能。具体工作内容和成果总结如下:(1)以Pt(111)/Ti/Si02/Si为衬底,通过溶胶凝胶法制备了 SBT薄膜。通过对比实验发现:在750 °C的退火温度下所制备的SBT薄膜具有良好的铁电性能。SEM和AFM的测试结果显示SBT薄膜的厚度为280 rnm,表面光滑平整,无明显裂纹和缺陷,粗糙度大约为10nm,晶粒紧密生长,晶粒长度约为250nm。XRD测试显示SBT薄膜是沿(115)方向择优取向的多晶薄膜,薄膜与Pt(111)衬底电极之间的晶格匹配良好。(2)通过直流溅射制备出SBT薄膜的上电极,形成Pt/SBT/Pt结构,其铁电性能分析显示:在室温下,扫描电压为20 V时,SBT薄膜的剩余极化2Pr趋于饱和,达到35μC/cm2,矫顽场2Ec大约为248.5 kV/cm,同时SBT薄膜经过109次的极化翻转无明显的疲劳现象,经过104 s的测试表现出良好的保持性能。(3)Pt/SBT/Pt器件具有优良的双极性阻变性能,在限制电流Icc为0.05mA时,其操作电压VSet为11.3 V,VReret为-8.5V。Pt/SBT/Pt器件具有良好的循环耐受性,经过103次高低阻态的转变,其高低阻态之间的存储窗口始终大于103。器件在低阻态时符合欧姆导电规律,在高阻态时的导电规律与空间限制电荷导电机理(SCLC)相吻合。Pt/SBT/Pt器件的电阻转变是基于氧空位导电细丝的形成和破灭,但是其实质是氧空位的氧化还原反应。(4)Pt/SBT/Pt器件在0 V → +14 V →-14 V → 0 V的周期性扫描电压下依次经历了四种存储状态,分别为铁电极化向上和高阻态(FPU+HRS),铁电极化向上和低阻态(FPU+LRS),铁电极化向下和低阻态(FPD+LRS),铁电极化向下和高阻态(FPD+HRS),其中正向矫顽电压(Vc)、正向操作电压(Vset)、反向矫顽电压(-Vc)和反向操作电压(Vreset)为四种存储状态的分界点,即四值存储状态的切换转变电压。在Vc、-Vc处,Pt/SBT/Pt器件发生铁电极化翻转;在Vset、Vreset处,Pt/SBT/Pt器件发生阻态的转变。所以可以控制扫描电压来切换器件的存储状态,实现存储数据的写入。(5)SBT薄膜可作为栅介质应用于场效应晶体管中,通过SBT薄膜的极化翻转对场效应晶体管进行调控,实现晶体管的导通和关闭。器件的转移特性曲线都呈现出蝴蝶曲线的形状,在10 V的栅压扫描范围下存在大约7 V的存储窗口,并且存储窗口随着栅压扫描范围的缩小而缩小。
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2
【图文】：

电材料

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晶体结构,钙钛矿型,铁电材料,顺电相

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【参考文献】