PZT第一性原理計(jì)算及其鐵電性能研究.pdf

1、與傳統(tǒng)的EEPROM和FLASH揮發(fā)性存儲(chǔ)器相比，非揮發(fā)性鐵電存儲(chǔ)器（FeRAM）具有抗輻射、低功耗、快速讀寫操作、低操作電壓等優(yōu)異特性，從而更適合嵌入式應(yīng)用的要求。本論文對(duì)應(yīng)用于鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器的關(guān)鍵組成部分——PZT鐵電薄膜進(jìn)行了第一性原理計(jì)算以及對(duì)PZT薄膜電容制備工藝和性能上進(jìn)行了研究。 采用第一性原理的方法計(jì)算了PTO順電相和鐵電相，不同Zr/Ti比的PZT鐵電相，和PZO順電相、鐵電相和反鐵電相的電子結(jié)構(gòu)。第一性原理對(duì)

2、PTO、PZT與PZO不同相總能量的計(jì)算結(jié)果表明，在低溫PTO、PZT處于鐵電相，PZO處于反鐵電相是由能量最小原理決定。PTO、PZT和PZO電子結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果表明，B位Ti3d，Zr4d與O2p電子存在強(qiáng)烈的雜化，并且Ti與O的雜化強(qiáng)度大于Zr與O的雜化強(qiáng)度，鐵電相雜化強(qiáng)度大于順電相雜化強(qiáng)度；A位Pb6s與O2p同樣存在較強(qiáng)的雜化，這種雜化在鐵電相時(shí)表現(xiàn)最強(qiáng)烈。從PZT能帶的組成來(lái)看，在價(jià)帶以下部分，主要由Pb原子電子能級(jí)組成；在價(jià)

3、帶底部主要由Ti，Zr原子與O原子的雜化能級(jí)組成，價(jià)帶頂主要由O原子能級(jí)組成；在導(dǎo)帶底主要由Ti與O的雜化能級(jí)組成。隨著Ti原子比例增大，鐵電相PZT中B位與O的雜化強(qiáng)度增大，說(shuō)明鐵電性增強(qiáng)，但是能隙變小，漏電流將變大。 根據(jù)PZT鐵電材料的自身特性、工藝制備和理論計(jì)算結(jié)果，確定了摻Ta1％的PZT（PbZr0.3Ti0.69Ta0.01O3，PTZT）是較為理想的嵌入式鐵電存儲(chǔ)器用材料。使用固相反應(yīng)法制備了LSMO靶材、PbO

4、靶材和Pb過(guò)量20％的純鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的PTZT靶材。通過(guò)對(duì)TiO2，PbO和LSMO不同緩沖層制備的PTZT鐵電薄膜結(jié)構(gòu)、鐵電性能和疲勞特性的分析指出，在高溫濺射LSMO作為緩沖層的PTZT鐵電薄膜是能夠滿足鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器要求的。Pt/LSMO/PTZT/LSMO/Pt/TiO2 /SiO2/Si是一種優(yōu)化的，適用于鐵電存儲(chǔ)器的鐵電薄膜結(jié)構(gòu)。從不同LSMO緩沖層厚度的PTZT鐵電薄膜的性能分析指出LSMO緩沖層厚度在約20nm左右時(shí)，薄膜

5、的鐵電性能和疲勞特性最好。 通過(guò)對(duì)PTZT層的濺射氣壓、基片溫度、后期退火工藝和濺射氧偏壓對(duì)LSMO/PTZT/LSMO三明治薄膜結(jié)構(gòu)鐵電性能的分析指出，較優(yōu)的制備PTZT薄膜電容的工藝條件是：濺射工作氣壓1.5Pa，基片溫度200oC，濺射氣氛為純Ar氣，退火溫度為650度，退火時(shí)間為20分鐘。 在Pt襯底上成功地制備了直徑為75mm的LSMO/PTZT/LSMO鐵電薄膜，測(cè)試了薄膜的表面和截面形貌以及薄膜鐵電性能和介

6、電常數(shù)。研究結(jié)果表明，薄膜表面致密、平整，厚度均勻（偏差在3.5％以內(nèi)）；最大電壓12V測(cè)量的剩余極化平均值約為52.6μC/cm2，矯頑場(chǎng)平均值為2V（偏差在3.5％以內(nèi)），經(jīng)109開(kāi)關(guān)極化后，名義剩余極化強(qiáng)度平均值約為初始極化的90％（偏差在2.8％）；薄膜的介電常數(shù)隨頻率的增加而減小，但1MHz后下降的趨勢(shì)變得緩慢。 基于極化反轉(zhuǎn)物理行為建立了關(guān)于鐵電電容極化與外加電場(chǎng)的唯象物理模型。在此模型中，通過(guò)一些合理的近似假設(shè)，推