多晶BiFeO_3薄膜的阻变行为与机制研究

发布时间：2017-06-09 05:01

  本文关键词：多晶BiFeO_3薄膜的阻变行为与机制研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：阻变存储器作为下一代非易失性存储器的有力竞争者之一,在最近十多年来吸引了广泛的关注。作为阻变存储器中的核心,阻变薄膜材料的阻变性能和阻变机制一直是相关研究方向中的热点问题。本文采用脉冲激光沉积(PLD)技术在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备了多晶BiFeO3(BFO)薄膜并获得了Au/BFO/Pt阻变单元,研究了薄膜制备条件对其阻变特性的影响,并针对其阻变机制进行了具体分析,研究结果为阻变材料在非易失性存储器中的应用提供了一定的实验基础和理论依据。本文主要工作内容包含以下几个方面：(1)系统研究了采用PLD技术制备多晶BFO薄膜的工艺,针对基片温度和氧分压两个重要条件对薄膜结晶质量和微观形貌的影响进行了系统的研究。结果表明,在550-750℃的温度范围内,BFO薄膜能够获得较为良好的结晶,采用650℃的基片温度可以同时获得较为平整的薄膜表面以及较为致密的薄膜结构；氧分压对薄膜的形貌无明显的影响,但当氧分压提高至4 Pa时会产生富Bi的杂相并导致薄膜沉积速率的下降。此外,薄膜晶粒尺寸随厚度的增加而增大。(2)测试了BFO薄膜的阻变特性,包括Ⅰ-Ⅴ曲线、数据保持特性以及抗疲劳特性测试。测试发现,开关比与薄膜沉积的基片温度、氧分压以及薄膜厚度均有密切联系。基片温度提高至650℃以上有助于增加开关比并提高抗疲劳特性,但是当基片温度升高至750℃会导致BFO薄膜漏电流太高并引起永久性硬击穿；而氧分压则需要适当选择,才能在确保获得较大开关比的同时保证较为良好的数据保持特性和抗疲劳特性。1.8 Pa的氧分压为优化的工艺条件,4 Pa的氧分压会导致阻态稳定性变差且多次循环写入之后开关比的明显衰减,而1 Pa的氧分压则无法获得有效的开关窗口；此外薄膜厚度减小至200 nm有助于提高开关比并改善数据保持特性。在优化的薄膜制备条件下,BFO薄膜阻变单元最大开关比可以达到600倍以上,且能够在20000个写入循环之后保持100倍以上的开关比。(3)详细分析了BFO薄膜不同电阻状态下的导电行为,研究结果表明Au/BFO界面肖特基势垒和BFO体电阻在不同的电压区间对单元的整体电阻贡献不同,而单元产生阻变行为的原理在于BFO薄膜中氧空位对电子的俘获和释放导致薄膜体电阻和Au/BFO界面耗尽层宽度的同时变化；提出了一种界面-体电阻混合型的阻变机制,成功解释了在BFO薄膜中观察到的阻变行为。(4)研究了BFO薄膜的多态阻变现象。结果表明单元产生多个电阻状态的原因在于BFO薄膜体电阻和Au/BFO界面耗尽层宽度的连续调控。结合多态电流-电压(Ⅰ-Ⅴ)和电容-电压(C-V)特性的分析,发现单元的多个电阻状态与多个电容状态有一一对应的关系。而采用导电原子力显微镜(CAFM)进行的微区分析表明,BFO薄膜产生阻变行为的微观单元为晶粒,而不是晶界,且具有阻变行为的晶粒在薄膜中呈现随机分布的特性,减小薄膜的晶粒尺寸有助于提高阻变晶粒在单元内分布的均匀性,有利于高密度存储的应用需求。BFO薄膜的铁电性并不主导在单元中观察到的阻变行为,验证了基于电子俘获和释放的界面-体电阻混合阻变机制的合理性。
【关键词】：BiFeO_3 阻变 导电机制 肖特基势垒 氧空位
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP333;TB383.2
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-30
• 1.1 引言12-14
• 1.2 新型非易失性存储器技术14-19
• 1.3 阻变效应研究进展19-28
• 1.3.1 阻变行为的分类20-21
• 1.3.2 主要阻变机制介绍21-28
• 1.4 本文选题背景及主要工作28-30
• 第二章 实验方法30-34
• 2.1 脉冲激光沉积技术30-31
• 2.2 微观结构表征方法31-33
• 2.2.1 X射线衍射分析31-32
• 2.2.2 扫描电子显微镜32
• 2.2.3 原子力显微镜32-33
• 2.3 电学性能测试方法33-34
• 第三章 BFO薄膜的制备与结构表征34-45
• 3.1 引言34
• 3.2 BFO薄膜的制备34-37
• 3.2.1 BFO陶瓷靶材的制备34-36
• 3.2.2 BFO薄膜的沉积36-37
• 3.3 BFO薄膜的微观结构表征37-43
• 3.3.1 XRD测试结果37-39
• 3.3.2 SEM测试结果39-43
• 3.4 本章小结43-45
• 第四章 BFO薄膜的阻变特性45-62
• 4.1 引言45
• 4.2 I-V特性测试45-51
• 4.2.1 沉积温度对I-V特性的影响45-48
• 4.2.2 沉积气压对I-V特性的影响48-50
• 4.2.3 薄膜厚度对阻变特性的影响50-51
• 4.3 数据保持特性测试51-55
• 4.3.1 沉积温度对数据保持特性的影响52
• 4.3.2 沉积气压对数据保持特性的影响52-53
• 4.3.3 薄膜厚度对数据保持特性的影响53-55
• 4.4 抗疲劳特性测试55-61
• 4.4.1 沉积温度对抗疲劳特性的影响55-57
• 4.4.2 沉积气压对抗疲劳特性的影响57-58
• 4.4.3 薄膜厚度对抗疲劳特性的影响58-59
• 4.4.4 抗疲劳特性的改善59-61
• 4.5 本章小结61-62
• 第五章 BFO薄膜的阻变机制62-84
• 5.1 引言62
• 5.2 导电机制的基本类型62-63
• 5.3 正偏电压下的导电机制分析63-73
• 5.3.1 沉积温度对正偏电压下导电机制的影响63-69
• 5.3.2 沉积气压对正偏电压下导电机制的影响69-73
• 5.4 负偏电压下的导电机制分析73-76
• 5.5 BFO薄膜阻变机制研究76-82
• 5.5.1 阻变机制分析76-80
• 5.5.2 阻变机制对数据保持特性的解释80-82
• 5.6 本章小结82-84
• 第六章 BFO薄膜的多态阻变与微区分析84-102
• 6.1 引言84-85
• 6.2 BFO薄膜阻变特性与电容特性的联系85-87
• 6.3 BFO薄膜的多态阻变87-92
• 6.4 BFO薄膜的铁电性对阻变的影响92-96
• 6.5 BFO薄膜阻变的微区分析96-101
• 6.6 本章小结101-102
• 第七章 结论102-105
• 7.1 论文工作总结102-103
• 7.2 主要创新点103
• 7.3 前景和工作展望103-105
• 致谢105-106
• 参考文献106-116
• 攻读博士学位期间取得的成果116-117

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