钛酸铅薄膜中畴壁导电性调控的相场模拟研究

发布时间：2020-07-10 10:49

【摘要】：铁电畴壁在未来纳米电子器件领域中拥有十分广阔的应用前景,它们具有与铁电畴不同的性质,并且可以根据人们的需求轻易的生成、消除以及重新配置。铁电畴壁在导电方面表现的尤为突出,其中带电畴壁拥有着超强的导电性,这一特殊的性能导致了“铁电畴壁存储器”这一概念的出现,而如何调控铁电畴壁的导电性是将畴壁应用于存储器件的关键。现有研究表明,铁电薄膜中畴壁的导电性与畴壁的类型、数量以及长度等密切相关,而失配应变、外电场以及空间电荷等因素都对畴壁的结构有一定的影响。因此,从铁电薄膜的微观结构出发,研究这些外界因素对铁电畴壁导电性的影响,对调控铁电畴壁的导电性具有一定参考价值。本文采用相场方法,以经典铁电材料PbTi03作为研究对象,研究了失配应变、外电场以及空间电荷对铁电畴壁及其导电性的影响,主要研究内容如下:(1)建立了铁电薄膜中畴壁导电性研究的相场模型,研究了失配应变对铁电薄膜中90°畴壁及其导电性的影响。研究结果表明:失配应变会使铁电薄膜中畴壁的位置发生移动,从而改变铁电薄膜中的载流子分布情况;当失配压应变从-0.001增加到-0.004时,畴壁的导电性变化不大,而当失配拉应变从0.001增加到0.004时,畴壁的电导率增大了 5倍左右。(2)在建立的畴壁导电性研究的相场模型基础上,研究了电场对铁电薄膜中90°畴壁及其导电性的影响。研究结果表明:在纵向电场的作用下,当电场逐渐增大时,畴壁的长度逐渐缩短,畴壁的电导率最高增大了6倍左右;在双向电场的作用下,铁电薄膜中原来的头对尾90°畴壁转变为头对头和尾对尾90°带电畴壁,并且随着电场逐渐增大,头对头90°带电畴的导电性逐渐减弱,其电导率变化范围在103-106之间;此外,界面电场会对铁电薄膜中带电畴壁的结构造成一定影响,但由于其作用范围较小,导致界面电场对头对头90°带电畴壁的导电性影响不大。(3)将空间电荷引入到畴壁导电性研究的相场模型中,研究了不同分布类型的空间电荷对铁电薄膜中90°带电畴壁的影响。研究结果表明:随着均匀分布空间电荷密度的增大,铁电薄膜中尾对尾90°带电畴的长度逐渐缩短,而头对头90°带电畴壁几乎不受影响;非均匀分布的空间电荷使得尾对尾和头对头90°带电畴壁的长度都有所缩短,随着空间电荷密度的增大,其导电性逐渐减弱。
【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】：

两个极化矢量之间的角度可以将畴壁分为不同的类型［１１］。铁电材料中，在两个具逡逑有不同极化方向的ｃ畴之间可以形成一种最简单的情况，即１８０°畴壁，其结构如逡逑图１．１⑻所示。当在ｃ畴旁边存在着《畴时，两个相邻的畴之间极化方向互相垂逡逑直，即形成了所谓的９０°畴壁，如图１．１（ｂ）所示。而在铁电材料中，还存在着其逡逑它更为复杂的畴壁，例如，在ＢｉＦｅ０３中除了邋１８０°畴壁之外，１０９°和７１°也是铁电逡逑材料中较为常见的畴壁类型，图１．２为实验中观察到的畴壁类型Ｍ。逡逑１逡逑

１．铁电随机存储器（ＦｅＲＡＭ）逡逑ＦｅＲＡＭ将电容用作信息存储的单元，结构以ｌＴ（Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）－ｌＣ（Ｃａｐａｃｉｔｏｒ）式逡逑的居多，因为这种结构单元相较于其他结构拥有更高的存储密度，图１．４（ａ）为１Ｔ－逡逑１Ｃ式的存储单元的结构示意图，这种结构的存储器己经得到商用铁电存逡逑储器的读写次数远远高于传统Ｆｌａｓｈ存储器＠４２１，拥有更多的读写次数，这使得逡逑４逡逑

“邋Ｐ逡逑Ｃ逡逑图１．３铁电体的电滞回线逡逑二十世纪５０年代，铁电随机存取存储器（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ邋Ｒａｎｄｏｍ邋Ａｃｃｅｓｓ邋Ｍｅｍｏｒｙ，逡逑ＦｅＲＡＭ）的概念首先由Ｊ．Ｒ．邋Ａｎｄｅｒｓｏｎ提出，随后引起了研究人员们对铁电存储逡逑器的研宄热潮。紧接着，６０年代至７０年代期间，人们在实验室中获得了单管的逡逑铁电存储器以及三明治结构（金属层一铁电薄膜一衬底）的铁电存储器［３４１。但是逡逑由于当时较为落后的工艺技术，限制了薄膜的制备条件，且导致实验室中制备的逡逑铁电存储器存在一些缺陷，其性能不能达到预期的状态。此后一段时间，铁电存逡逑储器的研宄跌入低谷期，商业化的计划也随之宣布失败。２０世纪末及２１世纪初逡逑期，由于微电子信息技术发展迅猛，研宄人员成功研制出了质量越来越高的铁电逡逑薄膜和结构更加出色的存储器—些国际上知名的大型半导体公司如东逡逑芝、三星等也对铁电存储器的研发投入了更多人力和财力支持

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本文编号：2748817