铁酸铋薄膜阻变效应与陷阱电荷现象的研究

发布时间：2017-09-18 15:41

  本文关键词：铁酸铋薄膜阻变效应与陷阱电荷现象的研究

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【摘要】：基于电致阻变效应的随机存储器由于操作电压低、读写速度快等优点备受关注,是极具前景的新一代非易失性存储器。目前,阻变的物理机理、存储机理等问题依然是研究热点。BiFeO_3(BFO)是一种室温下典型的多铁性材料,在其块材和薄膜中均发现了电致阻变效应。本论文以BFO薄膜为主要研究对象,使用脉冲激光沉积技术(PLD)分别制备了外延和多晶结构的BFO薄膜。使用X射线衍射仪、原子力显微镜(AFM)研究外延和多晶薄膜的微观结构,探讨导电原子力显微镜(CAFM)和压电响应力显微镜(PFM)的同步成像方法。构造金属/BFO/金属阻变结构,利用变温、变频、脉冲序列等测试方法对外延和多晶BFO薄膜的低温电致阻变效应和陷阱电荷现象进行研究。探索了石墨烯作BFO薄膜上电极的电致阻变效应。主要内容如下:1.利用PLD技术在不同基板上制备出外延和多晶的BFO薄膜。利用XRD、AFM分析样品的微结构信息,外延薄膜具有c轴取向,薄膜表面具有原子级的平整度;多晶薄膜具有(100)、(110)等多重取向,平均晶粒尺寸约为300~500 nm。薄膜的铁电性能由PFM证实,外延和多晶的薄膜原始电畴均随机分布且在外场作用下可以实现极化翻转。同步的PFM和CAFM测试表明外延BFO薄膜的极化和导电状态在空间上是关联的;多晶BFO薄膜的极化取向与导电状态在空间上没有直接关联。2.研究了BFO/SRO外延结构的低温阻变效应和缺陷电荷现象。实验发现Au/BFO/SRO在室温下具有稳定的整流效应和电致阻变行为,在104次疲劳特性测试后器件室温下开关比仍然高达2个数量级,高低阻态在经历105 s后仍然得以保持。在一定的阈值电压下,电脉冲可以实现器件的多级阻态触发。当温度低于140K时,器件的阻变效应和电容附加峰消失。低温导电机制拟合和理论分析表明Au/BFO/SRO的电致阻变行为与铁电极化、氧空位的迁移以及界面的缺陷填充有关,电容附加峰来源于金属/铁电界面处陷阱能级的俘获或发射作用。3.与外延结构相比,BFO/Pt多晶结构同样表现出整流效应和电致阻变行为,但是,其电流回滞曲线与单晶BFO/SRO结构存在较大差异,而且阻变开关比远小于单晶结构。Au/BFO/Pt在室温下拥有可靠的阻变性能,器件在经历700次抗疲劳测试和105 s保持特性测试后仍然稳定。分析发现,多晶器件的整流效应和电致阻变特性来自于界面处的肖特基结。I-V和C-V回滞曲线在低温下消失的实验说明多晶BFO薄膜的特性由界面肖特基结和薄膜铁电本质共同作用。4.探索多层石墨烯(FLG)作BFO薄膜上电极的阻变效应。FLG/BFO/SRO结构的阻变行为和“Au/BFO/SRO”结构的阻变行为存在明显差异,结果表明利用AFM针尖直接探测BFO薄膜时,采集到的电流在pA量级,极化反转矫顽场约为±4 V;利用AFM探测FLG时,采集到的电流在nA量级,极化反转矫顽场约为+2V和-0.5 V,且探测到的压电响应信号较强。但FLG/BFO/SRO结构阻变开关比较低,仅有5左右,远小于M/BFO/M结构的数十或数百。
【关键词】：BiFeO_3 电致阻变 缺陷 石墨烯
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP333
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-25
• 1.1 引言11
• 1.2 新型非易失性存储器11-12
• 1.3 阻变存储器研究进展12-18
• 1.3.1 阻变行为分类14-15
• 1.3.2 阻变效应机理15-18
• 1.4 多铁性材料18-22
• 1.4.1 BiFeO_318-20
• 1.4.2 BiFeO_3的阻变现象研究20-22
• 1.5 陷阱电荷现象22-23
• 1.6 本文的研究意义和研究内容23-25
• 第二章 实验方法及原理25-33
• 2.1 引言25
• 2.2 薄膜制备25-26
• 2.3 薄膜结构表征26-28
• 2.3.1 X射线衍射26-27
• 2.3.2 原子力显微镜27-28
• 2.4 导电原子力显微镜和压电响应力显微镜28-30
• 2.5 电致阻变和陷阱电荷现象测试方法30-32
• 2.6 本章小结32-33
• 第三章 外延BiFeO3阻变效应与陷阱电荷研究33-52
• 3.1 引言33
• 3.2 结构表征33-35
• 3.3 室温电致阻变特性研究35-41
• 3.3.1 阻变与电脉冲关系研究37-40
• 3.3.2 Au/BFO/SRO器件室温阻变机制分析40-41
• 3.4 陷阱电荷现象研究41-42
• 3.5 电致阻变效应的温度依赖性与陷阱电荷研究42-46
• 3.6 石墨烯/BFO结构的阻变行为46-50
• 3.7 本章小结50-52
• 第四章 多晶BiFeO_3阻变效应与陷阱电荷研究52-60
• 4.1 引言52
• 4.2 结构表征52-54
• 4.3 室温电致阻变特性研究54-56
• 4.3.1 Au/BFO/Pt器件室温阻变机制分析55-56
• 4.4 陷阱电荷现象研究56-57
• 4.5 电致阻变效应的温度依赖性与陷阱电荷研究57-58
• 4.6 本章小结58-60
• 第五章 主要结论60-62
• 致谢62-63
• 参考文献63-68
• 攻读硕士学位期间取得的成果68-69

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

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中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 刘琦;高速、高密度、低功耗的阻变非挥发性存储器研究[D];安徽大学;2010年

中国硕士学位论文全文数据库 前3条

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本文编号：876397