二氧化铪中氧空位性质的第一性原理研究

发布时间：2017-09-02 21:06

  本文关键词：二氧化铪中氧空位性质的第一性原理研究

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【摘要】：阻变存储器（RRAM），由于具有功耗低，读写速度快，可擦写次数多等优点，成为下一代不挥发存储技术的重要候选者。二氧化铪(HfO2)是半导体产业中一种重要的二元过渡金属氧化物材料，也是RRAM器件的重要阻变材料。 本文主要利用材料工作室中的Castep模块，，利用第一性原理计算研究了HfO2中氧空位性质，预测了其对RRAM性能的影响。单晶HfO2有单斜(m-)，立方(c-)，四方(t-)三种晶相，我们计算了完整与含有中性氧空位这两种条件下各晶相HfO2的能带结构与态密度，发现三种晶相的HfO2中，氧空位的引入会在禁带中产生陷阱能级，电子能够在这些陷阱能级之间跃迁。当大量氧空位聚集时，这些陷阱能级便提供了一条电子的通道，使得HfO2成为低阻态。计算了氧空位的形成能，发现c-，t-HfO2两种晶相中，氧空位的形成能分别为7.56eV和6.37eV，要远低于m-HfO2(三配位空位12.34eV，四配位空位为12.24eV)，这意味着基于这两种晶相的器件的electroforming过程更容易完成。计算了三种晶相HfO2中氧空位的跃迁势垒，发现c-，t-HfO2两种晶相中，氧空位的跃迁势垒分别为1.20eV，0.93eV和1.35eV（t-HfO2中有两种跃迁路径），要明显低于m-HfO2（2.53eV，2.76eV和3.98eV，对应于三种跃迁路径），这意味着氧空位在c-，t-HfO2中迁移更为容易，相应的电阻转变过程也会更快，但是数据保持能力则要弱于m-HfO2。 我们还研究了Y掺杂对各晶相HfO2氧空位性质的影响，发现Y掺杂后，氧空位所产生的缺陷能级会向导带底靠近，在Y掺杂c-HfO2中，缺陷能级已经与导带底相连，这意味着低阻态时材料将表现出类似金属的导电机制。此外，在三种晶相的HfO2中，Y掺杂都会极大的降低氧空位的形成能和跃迁势垒。同时Y掺杂能够使HfO2更倾向于氧空位形成能和跃迁势垒较低的c-，t-两相，因此其对RRAM器件性能的影响是双重的。
【关键词】：第一性原理 二氧化铪 氧空位 阻变存储器
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP333
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 图录13-15
• 表录15-16
• 第一章 绪论16-25
• 1.1 引言16-17
• 1.2 阻变存储器（Resistive Switching Radom Access Memory, RRAM）简介17-23
• 1.2.1 阻变存储器的基本结构与工作模式17-19
• 1.2.2 阻变材料及电阻转变机制19-22
• 1.2.3 阻变存储器的性能参数22-23
• 1.3 研究内容和研究意义23-25
• 第二章 第一性原理计算原理25-40
• 2.1 引言25
• 2.2 多电子体系的量子力学描述25-29
• 2.2.1 绝热近似25-27
• 2.2.2 Hartree-Fock 近似27-29
• 2.3 密度泛函理论29-37
• 2.3.1 Thomas-Fermi-Dirac 近似29-30
• 2.3.2 Hohenberg-Kohn 定理30-33
• 2.3.3 Kohn-Sham 假设33-34
• 2.3.4 交换关联泛函34-36
• 2.3.5 Kohn-Sham 方程的求解36-37
• 2.4 赝势37-39
• 2.4.1 规范守恒赝势38
• 2.4.2 超软赝势38-39
• 2.5 本章小结39-40
• 第三章 计算模型与参数选择40-46
• 3.1 引言40
• 3.2 计算所采用的晶体模型40-43
• 3.2.1 HfO_2的晶体结构40-43
• 3.2.2 氧空位的引入43
• 3.2 截断能量与 k 点的选取43-45
• 3.3 本章小结45-46
• 第四章 氧空位对 HfO_2材料电学性质的影响46-58
• 4.1 引言46
• 4.2 完整 HfO_2电子能带结构和态密度46-51
• 4.2.1 完整 m-HfO_2的能带结构与态密度46-48
• 4.2.2 完整 c-HfO_2 的能带结构与态密度48-49
• 4.2.3 完整 t-HfO_2的能带结构与态密度49-51
• 4.3 含有氧空位的 HfO_2电子能带结构和态密度51-57
• 4.3.1 含有 Vo 的 m-HfO_2的能带结构与态密度51-53
• 4.3.2 含有 Vo 的 c-，t-HfO_2的能带结构与态密度53-57
• 4.4 本章小结57-58
• 第五章 HfO_2中氧空位的形成能58-64
• 5.1 氧空位形成能与器件性能的关系58
• 5.2 氧空位形成能的计算58-63
• 5.2.1 计算方法58-59
• 5.2.2 0K 条件下氧空位的形成能59-60
• 5.2.3 不同温度下的氧空位形成能60-63
• 5.3 本章小结63-64
• 第六章 HfO_2中氧空位的迁移64-71
• 6.1 氧空位的迁移与 RRAM 的性能64-65
• 6.2 HfO_2 中氧空位的迁移路径65-67
• 6.3 跃迁势垒的计算方法67-68
• 6.4 结果与讨论68-70
• 6.5 本章小结70-71
• 第七章 Y 掺杂对不同晶相 HfO_2性质的影响71-78
• 7.1 引言掺杂对 HfO_2各晶相稳定性的影响71-72
• 7.2 计算模型72-73
• 7.3 计算结果与讨论73-76
• 7.3.1 Y 掺杂对 HfO_2电子能态密度的影响73-74
• 7.3.2 Y 掺杂对 HfO_2 中氧空位形成能的影响74-75
• 7.3.3 Y 掺杂对 HfO_2 中氧空位跃迁势垒的影响75-76
• 7.4 本章小结76-78
• 第八章 结束语78-81
• 8.1 工作总结78-79
• 8.2 对后续工作的展望79-81
• 参考文献81-88
• 致谢88-89
• 硕士期间的主要研究成果89

【参考文献】

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1 CHEN Frederick T.;LEE HengYuan;HSU YenYa;CHEN PangShiu;LIU WenHsing;TSAI ChenHan;SHEU ShyhShyuan;TSAI MingJinn;;Resistance switching for RRAM applications[J];Science China(Information Sciences);2011年05期

本文编号：780870