【摘要】：SrBi2Ta209(SBT)材料是一種類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵電材料,具有優(yōu)異的抗疲勞特性,且不含鉛等重金屬,對環(huán)境無污染;同時,SBT材料作為一種三元氧化物具有成為阻變介質(zhì)的潛力,經(jīng)過多次的實驗探索,發(fā)現(xiàn)基于Pt/SBT/Pt結(jié)構(gòu)的器件具有優(yōu)異的雙極性阻變性能。因此,基于Pt/SBT/Pt的器件同時具有鐵電極化翻轉(zhuǎn)特性和電阻轉(zhuǎn)變特性,利用這兩種轉(zhuǎn)變特性可以實現(xiàn)多值存儲。本文采用溶膠凝膠法制備SBT薄膜,通過掃描電子顯微鏡(SEM),原子力顯微鏡(AFM),X射線衍射儀(XRD)等設(shè)備來表征薄膜的形貌和結(jié)構(gòu),利用鐵電分析儀來測試分析薄膜的鐵電性能,利用半導(dǎo)體分析儀來測試分析薄膜的半導(dǎo)體性能和阻變性能。具體工作內(nèi)容和成果總結(jié)如下:(1)以Pt(111)/Ti/Si02/Si為襯底,通過溶膠凝膠法制備了 SBT薄膜。通過對比實驗發(fā)現(xiàn):在750 °C的退火溫度下所制備的SBT薄膜具有良好的鐵電性能。SEM和AFM的測試結(jié)果顯示SBT薄膜的厚度為280 rnm,表面光滑平整,無明顯裂紋和缺陷,粗糙度大約為10nm,晶粒緊密生長,晶粒長度約為250nm。XRD測試顯示SBT薄膜是沿(115)方向擇優(yōu)取向的多晶薄膜,薄膜與Pt(111)襯底電極之間的晶格匹配良好。(2)通過直流濺射制備出SBT薄膜的上電極,形成Pt/SBT/Pt結(jié)構(gòu),其鐵電性能分析顯示:在室溫下,掃描電壓為20 V時,SBT薄膜的剩余極化2Pr趨于飽和,達(dá)到35μC/cm2,矯頑場2Ec大約為248.5 kV/cm,同時SBT薄膜經(jīng)過109次的極化翻轉(zhuǎn)無明顯的疲勞現(xiàn)象,經(jīng)過104 s的測試表現(xiàn)出良好的保持性能。(3)Pt/SBT/Pt器件具有優(yōu)良的雙極性阻變性能,在限制電流Icc為0.05mA時,其操作電壓VSet為11.3 V,VReret為-8.5V。Pt/SBT/Pt器件具有良好的循環(huán)耐受性,經(jīng)過103次高低阻態(tài)的轉(zhuǎn)變,其高低阻態(tài)之間的存儲窗口始終大于103。器件在低阻態(tài)時符合歐姆導(dǎo)電規(guī)律,在高阻態(tài)時的導(dǎo)電規(guī)律與空間限制電荷導(dǎo)電機(jī)理(SCLC)相吻合。Pt/SBT/Pt器件的電阻轉(zhuǎn)變是基于氧空位導(dǎo)電細(xì)絲的形成和破滅,但是其實質(zhì)是氧空位的氧化還原反應(yīng)。(4)Pt/SBT/Pt器件在0 V → +14 V →-14 V → 0 V的周期性掃描電壓下依次經(jīng)歷了四種存儲狀態(tài),分別為鐵電極化向上和高阻態(tài)(FPU+HRS),鐵電極化向上和低阻態(tài)(FPU+LRS),鐵電極化向下和低阻態(tài)(FPD+LRS),鐵電極化向下和高阻態(tài)(FPD+HRS),其中正向矯頑電壓(Vc)、正向操作電壓(Vset)、反向矯頑電壓(-Vc)和反向操作電壓(Vreset)為四種存儲狀態(tài)的分界點,即四值存儲狀態(tài)的切換轉(zhuǎn)變電壓。在Vc、-Vc處,Pt/SBT/Pt器件發(fā)生鐵電極化翻轉(zhuǎn);在Vset、Vreset處,Pt/SBT/Pt器件發(fā)生阻態(tài)的轉(zhuǎn)變。所以可以控制掃描電壓來切換器件的存儲狀態(tài),實現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)的寫入。(5)SBT薄膜可作為柵介質(zhì)應(yīng)用于場效應(yīng)晶體管中,通過SBT薄膜的極化翻轉(zhuǎn)對場效應(yīng)晶體管進(jìn)行調(diào)控,實現(xiàn)晶體管的導(dǎo)通和關(guān)閉。器件的轉(zhuǎn)移特性曲線都呈現(xiàn)出蝴蝶曲線的形狀,在10 V的柵壓掃描范圍下存在大約7 V的存儲窗口,并且存儲窗口隨著柵壓掃描范圍的縮小而縮小。
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.2
【圖文】：

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ｂ邐（ａ）邐（ｂ）逡逑圖１．４邋ＰｂＴｉ０３的晶體結(jié)構(gòu)圖：（ａ）鐵電相，（ｂ）順電相［６］逡逑（１）鈣鈦礦型：鈣鈦礦型鐵電材料是目前應(yīng)用最廣泛、數(shù)量最多的一類鐵電材料

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2739304