外場(chǎng)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(jī)存儲(chǔ)器、可調(diào)微波器件和微機(jī)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(diǎn)。本文主要關(guān)注鐵電薄膜應(yīng)用中存在的以下兩個(gè)方面的問題:首先,當(dāng)外場(chǎng)作用于鐵電薄膜時(shí),薄膜會(huì)發(fā)生相變。相變后薄膜的各種性能會(huì)發(fā)生較大改變,因此研究鐵電薄膜在外場(chǎng)下的相變具有非常重要的意義。本文將從理論和實(shí)驗(yàn)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(jī)存儲(chǔ)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(gè)方面:
　　1、采用非線性熱力勢(shì)函數(shù)研究了失配應(yīng)變一定時(shí),外加應(yīng)力、外加電場(chǎng)對(duì)生長(zhǎng)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(chǎng)”相圖。相圖主要由a相、ac相和c相組成,各個(gè)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(chǎng)都可以使薄膜發(fā)生鐵電相變。
　　2、采用非線性熱力勢(shì)函數(shù)研究了外加應(yīng)力一定時(shí),外加電場(chǎng)、失配應(yīng)變對(duì)生長(zhǎng)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(shí)多疇PZT薄膜的“外加電場(chǎng)-失配應(yīng)變”相圖及失配應(yīng)變一定時(shí)的“極化分量-外加電場(chǎng)”關(guān)系圖。相圖主要由a相、ac相和c相組成,各個(gè)相的穩(wěn)定區(qū)域隨著鈦組分的增加而改變。外加電場(chǎng)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(huì)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(chǎng)下的電疇翻轉(zhuǎn)和相變。得到了薄膜中單個(gè)晶粒發(fā)生相變的外加電場(chǎng)在120 kV/cm-160 kV/cm之間。利用非線性熱力學(xué)勢(shì)理論研究了單個(gè)晶粒在同等情況下的相變,得到其相變電場(chǎng)為139 kV/cm。可以看到實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果相吻合,證實(shí)

5、了模型的正確性。本章對(duì)研究外加電場(chǎng)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(duì)時(shí)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(chǎng)、極化強(qiáng)度隨時(shí)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(chǎng)就越強(qiáng),進(jìn)而使鐵電層電場(chǎng)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(shí)驗(yàn)及模擬結(jié)果一致。本章