PZT第一性原理計算及其鐵電性能研究.pdf

1、與傳統(tǒng)的EEPROM和FLASH揮發(fā)性存儲器相比，非揮發(fā)性鐵電存儲器（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用的要求。本論文對應用于鐵電隨機存儲器的關鍵組成部分——PZT鐵電薄膜進行了第一性原理計算以及對PZT薄膜電容制備工藝和性能上進行了研究。 采用第一性原理的方法計算了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

2、PTO、PZT與PZO不同相總能量的計算結(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)的計算結(jié)果表明，B位Ti3d，Zr4d與O2p電子存在強烈的雜化，并且Ti與O的雜化強度大于Zr與O的雜化強度，鐵電相雜化強度大于順電相雜化強度；A位Pb6s與O2p同樣存在較強的雜化，這種雜化在鐵電相時表現(xiàn)最強烈。從PZT能帶的組成來看，在價帶以下部分，主要由Pb原子電子能級組成；在價

3、帶底部主要由Ti，Zr原子與O原子的雜化能級組成，價帶頂主要由O原子能級組成；在導帶底主要由Ti與O的雜化能級組成。隨著Ti原子比例增大，鐵電相PZT中B位與O的雜化強度增大，說明鐵電性增強，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器用材料。使用固相反應法制備了LSMO靶材、PbO

4、靶材和Pb過量20％的純鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的PTZT靶材。通過對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存儲器要求的。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，薄膜

5、的鐵電性能和疲勞特性最好。 通過對PTZT層的濺射氣壓、基片溫度、后期退火工藝和濺射氧偏壓對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測量的剩余極化平均值約為52.6μC/cm2，矯頑場平均值為2V（偏差在3.5％以內(nèi)），經(jīng)109開關極化后，名義剩余極化強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后下降的趨勢變得緩慢。 基于極化反轉(zhuǎn)物理行為建立了關于鐵電電容極化與外加電場的唯象物理模型。在此模型中，通過一些合理的近似假設，推