鉍層狀鐵電材料鐵電性能的相場(chǎng)理論分析.pdf

1、近年來(lái)，鐵電薄膜已成為新型功能材料及微器件的研究熱點(diǎn)。然而，可靠性問(wèn)題如疲勞和印記被認(rèn)為是器件應(yīng)用的障礙。因此，理解這些失效的物理機(jī)制對(duì)鐵電材料以及鐵電薄膜存儲(chǔ)器的應(yīng)用和提高鐵電材料及微器件的性能都是非常重要的。鐵電體的自發(fā)極化是鐵電材料的一個(gè)重要特性。不同的外加條件以及缺陷的產(chǎn)生和重新分布等影響了鐵電極化反轉(zhuǎn)能力，疇變效應(yīng)將會(huì)導(dǎo)致集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和器件的失效。因此，研究鐵電材料的疇結(jié)構(gòu)及翻轉(zhuǎn)過(guò)程以及外場(chǎng)對(duì)極化反轉(zhuǎn)的作用，從而探討鐵電材料和

2、器件的失效原因是非常必要的。相場(chǎng)模型已被用來(lái)研究鐵電體中疇結(jié)構(gòu)演化過(guò)程和外電場(chǎng)下極化的反轉(zhuǎn)。本文創(chuàng)新之處在于用相場(chǎng)理論建立了描述疇結(jié)構(gòu)的隨時(shí)間演化過(guò)程的模型，分析了頻率及應(yīng)力對(duì)鐵電性能的影響。考慮了界面層的影響，并討論了引起印記失效的原因。其主要研究?jī)?nèi)容分以下三個(gè)部分：
　　 1.采用相場(chǎng)理論，用時(shí)變-德文希爾-金茲堡-朗道(TDGL)方程，以極化強(qiáng)度為序參量，模擬了鈦酸鉍疇結(jié)構(gòu)的微觀演化過(guò)程，得到了電場(chǎng)-極化的電滯回線。在總自

3、由能中引入了由外加交變電場(chǎng)產(chǎn)生的靜電能項(xiàng)，分析了頻率的變化對(duì)鐵電性能的影響。其結(jié)果表明，新疇的形成經(jīng)歷了成核、核成長(zhǎng)、擴(kuò)張和合并的過(guò)程；在疇翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，新疇的產(chǎn)生和舊疇的消失都在邊界處發(fā)生；在不同頻率的交變電場(chǎng)作用下，矯頑場(chǎng)隨著電場(chǎng)頻率的增加而增加，而剩余極化強(qiáng)度沒(méi)有明顯的變化。模擬得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)一致。
　　 2.在外加一個(gè)恒定的應(yīng)變下，用相場(chǎng)理論模擬了在電場(chǎng)下極化反轉(zhuǎn)過(guò)程。模擬的結(jié)果表明，為了降低應(yīng)變能使自由能達(dá)到最小，90

4、°疇形成而沒(méi)有180°疇的形成。用該模型獲得了不同應(yīng)力情況下的電滯回線和蝶形曲線，并分析了應(yīng)力對(duì)鐵電性能的影響。計(jì)算結(jié)果顯示，剩余極化強(qiáng)度隨著壓應(yīng)力的增大而增大(與應(yīng)力為零是的極化強(qiáng)度相比)，隨著張應(yīng)力的增大而減小。場(chǎng)致應(yīng)變隨著壓應(yīng)力的增大而增大，隨著張應(yīng)力的增大而減小。模擬得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)一致。
　　 3.采用TDGL方程分別對(duì)鐵電層和界面層中極化隨時(shí)間發(fā)生改變進(jìn)行了描述，模擬得到了在界面層和鐵電層的電滯回線。結(jié)果表明，鐵電層

5、中的電滯回線中產(chǎn)生了一個(gè)負(fù)的極化率區(qū)域。這就意味著由于界面層的存在，造成疇結(jié)構(gòu)的釘扎，使得疇結(jié)構(gòu)更難反轉(zhuǎn)，從而需要在該方向加大電場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)使極化發(fā)生偏轉(zhuǎn)，即造成了該方向矯頑場(chǎng)的偏移，引起了印記的失效。由于介電常數(shù)的不同，鐵電層與界面層中的電場(chǎng)重新分布。界面層中電場(chǎng)強(qiáng)度很高并出現(xiàn)了一個(gè)正向偏移，而鐵電層中的電場(chǎng)強(qiáng)度較低且出現(xiàn)了一個(gè)負(fù)向偏移。改變不同的界面層厚度比，發(fā)現(xiàn)由于界面層厚度比越大，空間電荷的數(shù)目就越多，則形成的內(nèi)建電場(chǎng)就越大，矯頑場(chǎng)