本文關(guān)鍵詞：二氧化鉿中氧空位性質(zhì)的第一性原理研究

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【摘要】：阻變存儲(chǔ)器（RRAM），由于具有功耗低，讀寫速度快，可擦寫次數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)，成為下一代不揮發(fā)存儲(chǔ)技術(shù)的重要候選者。二氧化鉿(HfO2)是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中一種重要的二元過渡金屬氧化物材料，也是RRAM器件的重要阻變材料。 本文主要利用材料工作室中的Castep模塊，，利用第一性原理計(jì)算研究了HfO2中氧空位性質(zhì)，預(yù)測(cè)了其對(duì)RRAM性能的影響。單晶HfO2有單斜(m-)，立方(c-)，四方(t-)三種晶相，我們計(jì)算了完整與含有中性氧空位這兩種條件下各晶相HfO2的能帶結(jié)構(gòu)與態(tài)密度，發(fā)現(xiàn)三種晶相的HfO2中，氧空位的引入會(huì)在禁帶中產(chǎn)生陷阱能級(jí)，電子能夠在這些陷阱能級(jí)之間躍遷。當(dāng)大量氧空位聚集時(shí)，這些陷阱能級(jí)便提供了一條電子的通道，使得HfO2成為低阻態(tài)。計(jì)算了氧空位的形成能，發(fā)現(xiàn)c-，t-HfO2兩種晶相中，氧空位的形成能分別為7.56eV和6.37eV，要遠(yuǎn)低于m-HfO2(三配位空位12.34eV，四配位空位為12.24eV)，這意味著基于這兩種晶相的器件的electroforming過程更容易完成。計(jì)算了三種晶相HfO2中氧空位的躍遷勢(shì)壘，發(fā)現(xiàn)c-，t-HfO2兩種晶相中，氧空位的躍遷勢(shì)壘分別為1.20eV，0.93eV和1.35eV（t-HfO2中有兩種躍遷路徑），要明顯低于m-HfO2（2.53eV，2.76eV和3.98eV，對(duì)應(yīng)于三種躍遷路徑），這意味著氧空位在c-，t-HfO2中遷移更為容易，相應(yīng)的電阻轉(zhuǎn)變過程也會(huì)更快，但是數(shù)據(jù)保持能力則要弱于m-HfO2。 我們還研究了Y摻雜對(duì)各晶相HfO2氧空位性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)Y摻雜后，氧空位所產(chǎn)生的缺陷能級(jí)會(huì)向?qū)У卓拷�，在Y摻雜c-HfO2中，缺陷能級(jí)已經(jīng)與導(dǎo)帶底相連，這意味著低阻態(tài)時(shí)材料將表現(xiàn)出類似金屬的導(dǎo)電機(jī)制。此外，在三種晶相的HfO2中，Y摻雜都會(huì)極大的降低氧空位的形成能和躍遷勢(shì)壘。同時(shí)Y摻雜能夠使HfO2更傾向于氧空位形成能和躍遷勢(shì)壘較低的c-，t-兩相，因此其對(duì)RRAM器件性能的影響是雙重的。
【關(guān)鍵詞】：第一性原理 二氧化鉿 氧空位 阻變存儲(chǔ)器
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TP333
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 圖錄13-15
• 表錄15-16
• 第一章 緒論16-25
• 1.1 引言16-17
• 1.2 阻變存儲(chǔ)器（Resistive Switching Radom Access Memory, RRAM）簡(jiǎn)介17-23
• 1.2.1 阻變存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu)與工作模式17-19
• 1.2.2 阻變材料及電阻轉(zhuǎn)變機(jī)制19-22
• 1.2.3 阻變存儲(chǔ)器的性能參數(shù)22-23
• 1.3 研究?jī)?nèi)容和研究意義23-25
• 第二章 第一性原理計(jì)算原理25-40
• 2.1 引言25
• 2.2 多電子體系的量子力學(xué)描述25-29
• 2.2.1 絕熱近似25-27
• 2.2.2 Hartree-Fock 近似27-29
• 2.3 密度泛函理論29-37
• 2.3.1 Thomas-Fermi-Dirac 近似29-30
• 2.3.2 Hohenberg-Kohn 定理30-33
• 2.3.3 Kohn-Sham 假設(shè)33-34
• 2.3.4 交換關(guān)聯(lián)泛函34-36
• 2.3.5 Kohn-Sham 方程的求解36-37
• 2.4 贗勢(shì)37-39
• 2.4.1 規(guī)范守恒贗勢(shì)38
• 2.4.2 超軟贗勢(shì)38-39
• 2.5 本章小結(jié)39-40
• 第三章 計(jì)算模型與參數(shù)選擇40-46
• 3.1 引言40
• 3.2 計(jì)算所采用的晶體模型40-43
• 3.2.1 HfO_2的晶體結(jié)構(gòu)40-43
• 3.2.2 氧空位的引入43
• 3.2 截?cái)嗄芰颗c k 點(diǎn)的選取43-45
• 3.3 本章小結(jié)45-46
• 第四章 氧空位對(duì) HfO_2材料電學(xué)性質(zhì)的影響46-58
• 4.1 引言46
• 4.2 完整 HfO_2電子能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度46-51
• 4.2.1 完整 m-HfO_2的能帶結(jié)構(gòu)與態(tài)密度46-48
• 4.2.2 完整 c-HfO_2 的能帶結(jié)構(gòu)與態(tài)密度48-49
• 4.2.3 完整 t-HfO_2的能帶結(jié)構(gòu)與態(tài)密度49-51
• 4.3 含有氧空位的 HfO_2電子能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度51-57
• 4.3.1 含有 Vo 的 m-HfO_2的能帶結(jié)構(gòu)與態(tài)密度51-53
• 4.3.2 含有 Vo 的 c-，t-HfO_2的能帶結(jié)構(gòu)與態(tài)密度53-57
• 4.4 本章小結(jié)57-58
• 第五章 HfO_2中氧空位的形成能58-64
• 5.1 氧空位形成能與器件性能的關(guān)系58
• 5.2 氧空位形成能的計(jì)算58-63
• 5.2.1 計(jì)算方法58-59
• 5.2.2 0K 條件下氧空位的形成能59-60
• 5.2.3 不同溫度下的氧空位形成能60-63
• 5.3 本章小結(jié)63-64
• 第六章 HfO_2中氧空位的遷移64-71
• 6.1 氧空位的遷移與 RRAM 的性能64-65
• 6.2 HfO_2 中氧空位的遷移路徑65-67
• 6.3 躍遷勢(shì)壘的計(jì)算方法67-68
• 6.4 結(jié)果與討論68-70
• 6.5 本章小結(jié)70-71
• 第七章 Y 摻雜對(duì)不同晶相 HfO_2性質(zhì)的影響71-78
• 7.1 引言摻雜對(duì) HfO_2各晶相穩(wěn)定性的影響71-72
• 7.2 計(jì)算模型72-73
• 7.3 計(jì)算結(jié)果與討論73-76
• 7.3.1 Y 摻雜對(duì) HfO_2電子能態(tài)密度的影響73-74
• 7.3.2 Y 摻雜對(duì) HfO_2 中氧空位形成能的影響74-75
• 7.3.3 Y 摻雜對(duì) HfO_2 中氧空位躍遷勢(shì)壘的影響75-76
• 7.4 本章小結(jié)76-78
• 第八章 結(jié)束語(yǔ)78-81
• 8.1 工作總結(jié)78-79
• 8.2 對(duì)后續(xù)工作的展望79-81
• 參考文獻(xiàn)81-88
• 致謝88-89
• 碩士期間的主要研究成果89

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 CHEN Frederick T.;LEE HengYuan;HSU YenYa;CHEN PangShiu;LIU WenHsing;TSAI ChenHan;SHEU ShyhShyuan;TSAI MingJinn;;Resistance switching for RRAM applications[J];Science China(Information Sciences);2011年05期

本文編號(hào)：780870