鐵電存儲(chǔ)器用鈦酸鉍材料的第一性原理計(jì)算及電導(dǎo)機(jī)制分析.pdf

1、鐵電存儲(chǔ)器以其非揮發(fā)性(即使在電源突然斷開的時(shí)候芯片仍能保存存儲(chǔ)在其中的信息)、高寫入速度、低功率消耗、低的操作電壓、高重復(fù)讀寫能力以及優(yōu)異的抗輻射等優(yōu)越的性能,成為存儲(chǔ)器領(lǐng)域最具發(fā)展?jié)摿Φ漠a(chǎn)品。而鐵電材料的選擇是其實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。在鐵電材料中,使用最多的是鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵電如Pb(ZrxTi1-x)O3(PZT)和鉍層狀結(jié)構(gòu)鐵電如SrBi2Ta2O9(SBT),但是PZT材料,它含有有毒元素鉛,對環(huán)境有污染,且抗疲勞性較差;SBT材

2、料,雖然抗疲勞性好,但是制備溫度過高,很難與大規(guī)模集成器件集成。因此,尋找適合鐵電存儲(chǔ)器用的新型鐵電材料成為研究熱點(diǎn)之一。
　　近年來,摻雜的鈦酸鉍材料因其無鉛特性,大自發(fā)極化,低處理溫度,高居里溫度,以及優(yōu)異的抗疲勞特性受到了人們的廣泛關(guān)注。實(shí)驗(yàn)上,人們提出了A位摻雜、B位摻雜,以及A,B位共摻雜的方法,來提高BIT的鐵電性能,并取得了一定的成效。但其摻雜的內(nèi)部的機(jī)理卻并不明朗。
　　在BIT器件的應(yīng)用過程中,實(shí)驗(yàn)上觀測到

3、器件的漏電流比較大,成為限制它應(yīng)用的一個(gè)主要因素。人們對于BIT的漏電流屬性在實(shí)驗(yàn)和理論方面都做了研究。實(shí)驗(yàn)上,A,B位共摻雜的方法,被認(rèn)為是改善其漏電流屬性的有效方法之一。在理論方面,研究結(jié)果表明,漏電流與Bi3+離子的揮發(fā)及氧空穴有關(guān),并且材料中存在的雜質(zhì)也被認(rèn)為是產(chǎn)生漏電流的原因之一。人們也相應(yīng)地提出很多的理論模型去解釋實(shí)驗(yàn)上觀測到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,但是其真正的內(nèi)在機(jī)制還是存在爭議。而當(dāng)器件的漏電流過大時(shí),就會(huì)影響到極化翻轉(zhuǎn)的測量,嚴(yán)重

4、時(shí)甚至?xí)?dǎo)致鐵電存儲(chǔ)器件的短路,導(dǎo)致存儲(chǔ)失敗。因此弄清BIT的電導(dǎo)機(jī)制,改善漏電流屬性尤為重要。
　　本論文采用基于密度泛函理論的第一性原理方法,結(jié)合贗勢投影平面波(PP-PAW)方法,針對BIT鐵電體鉍層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的總能和電子結(jié)構(gòu)等物理性質(zhì)系統(tǒng)地進(jìn)行了理論研究,并取得了以下主要成果:
　　1)總能和電子結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果表明,BIT鐵電相的穩(wěn)定性主要源自于Bi2O2層和Bi2Ti3O10鈣鈦礦層的畸變以及它們之間相互耦合作用

5、釋放出來的弛豫能;BIT產(chǎn)生鐵電性質(zhì)的主要原因是源自于B位的Ti離子和O離子之間存在強(qiáng)烈的雜化;而A位的Bi和O之間存在的較弱的共價(jià)雜化則進(jìn)一步促進(jìn)了鐵電相的穩(wěn)定。
　　2)由電荷密度和AIM理論計(jì)算的遷移電荷結(jié)果表明,BIT的結(jié)構(gòu)畸變和鐵電性質(zhì)的主要誘導(dǎo)因素來源于B位Ti離子和O之間以及Bi和O之間的共價(jià)雜化作用;而B位Ti離子和O之間的共價(jià)雜化是產(chǎn)生畸變的主導(dǎo)因素。
　　3)將第一性原理計(jì)算得到的鐵電相BIT的能帶結(jié)構(gòu),

6、與MIGS理論相結(jié)合,我們計(jì)算得到了BIT與Pt電極相接觸時(shí)產(chǎn)生的肖特基勢壘的高度,其值為1.26eV,如此大的勢壘足以抑制從金屬向BIT導(dǎo)帶的發(fā)射肖特基電流,這也就意味著在BIT的電導(dǎo)機(jī)制中,界面限制肖特基發(fā)射機(jī)制是不占主導(dǎo)地位的。
　　4)在實(shí)驗(yàn)方面,對提取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用界面限制肖特基發(fā)射機(jī)制公式來進(jìn)行擬合,證明了我們的計(jì)算結(jié)果的正確性。而肖特基發(fā)射機(jī)制是一種最接近本征的電導(dǎo)機(jī)制,也說明了BIT中漏電流可以通過摻雜或改善實(shí)驗(yàn)條件