外場作用下多疇PZT鐵電薄膜相變及印記失效分析.pdf

1、近年來,鐵電薄膜因在非揮發(fā)隨機存儲器、可調(diào)微波器件和微機電系統(tǒng)等新型功能器件中有著重要的應(yīng)用,成為了材料領(lǐng)域非常重要的研究熱點。本文主要關(guān)注鐵電薄膜應(yīng)用中存在的以下兩個方面的問題:首先,當(dāng)外場作用于鐵電薄膜時,薄膜會發(fā)生相變。相變后薄膜的各種性能會發(fā)生較大改變,因此研究鐵電薄膜在外場下的相變具有非常重要的意義。本文將從理論和實驗兩方面來研究鐵電薄膜的相變。其次,鐵電薄膜的印記失效是制約鐵電隨機存儲器廣泛應(yīng)用的重要原因之一。本文采用Lan

2、dau-Khalatnikov(LK)理論研究了鐵電薄膜電容器的印記失效。本文的主要內(nèi)容分為以下幾個方面:
　　1、采用非線性熱力勢函數(shù)研究了失配應(yīng)變一定時,外加應(yīng)力、外加電場對生長在立方基底上多疇Pb(Zr1-xTix)O3(PZT)鐵電薄膜相圖的影響。得到了鈦組分分別為0.4、0.5、0.6、0.7、0.8和0.9的多疇PZT鐵電薄膜的“外加應(yīng)力-外加電場”相圖。相圖主要由a相、ac相和c相組成,各個相在相圖中的穩(wěn)定區(qū)域隨著鈦

3、組分的增加而改變。外加應(yīng)力和外加電場都可以使薄膜發(fā)生鐵電相變。
　　2、采用非線性熱力勢函數(shù)研究了外加應(yīng)力一定時,外加電場、失配應(yīng)變對生長在立方基底上多疇PZT鐵電薄膜的相圖及鐵電性能的影響。得到了鈦組分分別為0.4、0.5、0.6、0.7、0.8和0.9時多疇PZT薄膜的“外加電場-失配應(yīng)變”相圖及失配應(yīng)變一定時的“極化分量-外加電場”關(guān)系圖。相圖主要由a相、ac相和c相組成,各個相的穩(wěn)定區(qū)域隨著鈦組分的增加而改變。外加電場和失

4、配應(yīng)變都可以使薄膜發(fā)生鐵電相變。相變前后極化分量的分布不同,它會隨著鈦組分的改變而改變。
　　3、利用掃描探針顯微鏡(SPM)研究了多疇Pb(Zr0.52Ti0.48)O3鐵電薄膜的電疇結(jié)構(gòu)及其在外加電場下的電疇翻轉(zhuǎn)和相變。得到了薄膜中單個晶粒發(fā)生相變的外加電場在120 kV/cm-160 kV/cm之間。利用非線性熱力學(xué)勢理論研究了單個晶粒在同等情況下的相變,得到其相變電場為139 kV/cm?？梢钥吹綄嶒灪屠碚摻Y(jié)果相吻合,證實

5、了模型的正確性。本章對研究外加電場下的鐵電疇狀態(tài)具有指導(dǎo)意義。
　　4、用LK方程闡述了鐵電薄膜電容器中鈍化層和鐵電層的極化對時間的偏導(dǎo),并根據(jù)鐵電電容器中各層的電流連續(xù)性,畫出了每層中的電場、極化強度隨時間的演化曲線。分析得到了不同鈍化層厚度下鐵電電容器中的電滯回線。厚度越厚,空間電荷數(shù)越多,產(chǎn)生的內(nèi)建電場就越強,進而使鐵電層電場產(chǎn)生的異常越明顯,從而使印記失效越明顯。模擬的電滯回線形狀及偏移情況與已有的實驗及模擬結(jié)果一致。本章