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用,成為了材料領域非常重要的研究熱點。本文主要關注鐵電薄膜應用中存在的以下兩個方面的問題:首先,當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)研究了失配應變一定時,外加應力、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)研究了外加應力一定時,外加電場、失配應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-失配應變”相圖及失配應變一定時的“極化分量-外加電場”關系圖。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鐵電薄膜的電疇結構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,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果一致。本章