【摘要】： 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(yīng)用的要求。本論文對應(yīng)用于鐵電隨機存儲器的關(guān)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(dǎo)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(yīng)法制備了LSMO靶材、PbO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(guān)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(guān)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(shè),推得一微分方程,這一方程不但能很好地描述飽和與非飽和電滯回線以及回線間的轉(zhuǎn)換,并能準確模擬各種條件下的極化情況。用此模型對實驗數(shù)據(jù)和已報告的文獻上的實驗數(shù)據(jù)進行了模擬,結(jié)果具有很好的一致性。說明該模型對飽和電滯回線,以及非飽和、輸入電壓中途轉(zhuǎn)向的電滯回線都能進行很好的仿真。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2006
【分類號】：TP333
【圖文】：

其關(guān)系為：(1)0.04912= acPs，為了獲得較大的自發(fā)極化應(yīng)選擇c/a軸比較大的PZT材料。圖1.2 為實驗測得的飽和極化強度與Zr/Ti比的關(guān)系，說明Zr/Ti比較小的PZT材料有較大的飽和極化強度。在本論文的第二章中，根據(jù)不同Zr/Ti比的態(tài)密度和電子密度的對比分析中得出：在價帶部分，Ti－O雜化強度明顯大于Zr－O雜化強度，隨著Zr/Ti比的減小，總B位離子與O離子的價帶部分雜化強度增大，而價帶部分的這種雜化強度越大，說明鐵電體自發(fā)極化強度越大[46]；根據(jù)不同Zr/Ti比的能帶結(jié)構(gòu)分析指出，隨著Zr/Ti比的減小

如圖 1.4 所示。在兩種區(qū)域采用不同的基函數(shù)展開，在原子與球諧函數(shù)乘積的線性組合，在間隙區(qū)采用平面波展開，每一類原子波函數(shù)綴加。用來展開單粒子波函數(shù)的綴加平面波為： ∈∈=∑++AurEYrrIerIIVrElmllmkKlmikKrkK(',)()'1(,),()'ααφ中：K 為倒晶格矢（用于平面波展開），k 為第一布里淵區(qū)的波算第一布里淵區(qū)），V 為原胞體積，球內(nèi)坐標相對于原子球中心諧函數(shù), ul為對應(yīng)原子的徑向波函數(shù)，系數(shù) A 和能量 E 待定圖 1.4 單位原胞分成原子球區(qū)和間隙區(qū)

在兩種區(qū)域采用不同的基函數(shù)展開，在原數(shù)乘積的線性組合，在間隙區(qū)采用平面波展開，每函數(shù)綴加。用來展開單粒子波函數(shù)的綴加平面波為 ∈∈=∑++AurEYrrIerIIVrElmllmkKlmikKrkK(',)()'1(,),()'ααφ倒晶格矢（用于平面波展開），k 為第一布里淵區(qū)的里淵區(qū)），V 為原胞體積，球內(nèi)坐標相對于原子球中, ul為對應(yīng)原子的徑向波函數(shù)，系數(shù) A 和能量 E 待圖 1.4 單位原胞分成原子球區(qū)和間隙區(qū)

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 王龍海,于軍,王耘波,彭剛,劉鋒,高峻雄;基于靜態(tài)電滯回線的鐵電電容模型[J];物理學(xué)報;2005年02期

本文編號：2799785