本文關(guān)鍵詞：鐵酸鉍薄膜阻變效應(yīng)與陷阱電荷現(xiàn)象的研究

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【摘要】：基于電致阻變效應(yīng)的隨機(jī)存儲器由于操作電壓低、讀寫速度快等優(yōu)點(diǎn)備受關(guān)注,是極具前景的新一代非易失性存儲器。目前,阻變的物理機(jī)理、存儲機(jī)理等問題依然是研究熱點(diǎn)。BiFeO_3(BFO)是一種室溫下典型的多鐵性材料,在其塊材和薄膜中均發(fā)現(xiàn)了電致阻變效應(yīng)。本論文以BFO薄膜為主要研究對象,使用脈沖激光沉積技術(shù)(PLD)分別制備了外延和多晶結(jié)構(gòu)的BFO薄膜。使用X射線衍射儀、原子力顯微鏡(AFM)研究外延和多晶薄膜的微觀結(jié)構(gòu),探討導(dǎo)電原子力顯微鏡(CAFM)和壓電響應(yīng)力顯微鏡(PFM)的同步成像方法。構(gòu)造金屬/BFO/金屬阻變結(jié)構(gòu),利用變溫、變頻、脈沖序列等測試方法對外延和多晶BFO薄膜的低溫電致阻變效應(yīng)和陷阱電荷現(xiàn)象進(jìn)行研究。探索了石墨烯作BFO薄膜上電極的電致阻變效應(yīng)。主要內(nèi)容如下:1.利用PLD技術(shù)在不同基板上制備出外延和多晶的BFO薄膜。利用XRD、AFM分析樣品的微結(jié)構(gòu)信息,外延薄膜具有c軸取向,薄膜表面具有原子級的平整度;多晶薄膜具有(100)、(110)等多重取向,平均晶粒尺寸約為300~500 nm。薄膜的鐵電性能由PFM證實(shí),外延和多晶的薄膜原始電疇均隨機(jī)分布且在外場作用下可以實(shí)現(xiàn)極化翻轉(zhuǎn)。同步的PFM和CAFM測試表明外延BFO薄膜的極化和導(dǎo)電狀態(tài)在空間上是關(guān)聯(lián)的;多晶BFO薄膜的極化取向與導(dǎo)電狀態(tài)在空間上沒有直接關(guān)聯(lián)。2.研究了BFO/SRO外延結(jié)構(gòu)的低溫阻變效應(yīng)和缺陷電荷現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Au/BFO/SRO在室溫下具有穩(wěn)定的整流效應(yīng)和電致阻變行為,在104次疲勞特性測試后器件室溫下開關(guān)比仍然高達(dá)2個數(shù)量級,高低阻態(tài)在經(jīng)歷105 s后仍然得以保持。在一定的閾值電壓下,電脈沖可以實(shí)現(xiàn)器件的多級阻態(tài)觸發(fā)。當(dāng)溫度低于140K時,器件的阻變效應(yīng)和電容附加峰消失。低溫導(dǎo)電機(jī)制擬合和理論分析表明Au/BFO/SRO的電致阻變行為與鐵電極化、氧空位的遷移以及界面的缺陷填充有關(guān),電容附加峰來源于金屬/鐵電界面處陷阱能級的俘獲或發(fā)射作用。3.與外延結(jié)構(gòu)相比,BFO/Pt多晶結(jié)構(gòu)同樣表現(xiàn)出整流效應(yīng)和電致阻變行為,但是,其電流回滯曲線與單晶BFO/SRO結(jié)構(gòu)存在較大差異,而且阻變開關(guān)比遠(yuǎn)小于單晶結(jié)構(gòu)。Au/BFO/Pt在室溫下?lián)碛锌煽康淖枳冃阅?器件在經(jīng)歷700次抗疲勞測試和105 s保持特性測試后仍然穩(wěn)定。分析發(fā)現(xiàn),多晶器件的整流效應(yīng)和電致阻變特性來自于界面處的肖特基結(jié)。I-V和C-V回滯曲線在低溫下消失的實(shí)驗(yàn)說明多晶BFO薄膜的特性由界面肖特基結(jié)和薄膜鐵電本質(zhì)共同作用。4.探索多層石墨烯(FLG)作BFO薄膜上電極的阻變效應(yīng)。FLG/BFO/SRO結(jié)構(gòu)的阻變行為和“Au/BFO/SRO”結(jié)構(gòu)的阻變行為存在明顯差異,結(jié)果表明利用AFM針尖直接探測BFO薄膜時,采集到的電流在pA量級,極化反轉(zhuǎn)矯頑場約為±4 V;利用AFM探測FLG時,采集到的電流在nA量級,極化反轉(zhuǎn)矯頑場約為+2V和-0.5 V,且探測到的壓電響應(yīng)信號較強(qiáng)。但FLG/BFO/SRO結(jié)構(gòu)阻變開關(guān)比較低,僅有5左右,遠(yuǎn)小于M/BFO/M結(jié)構(gòu)的數(shù)十或數(shù)百。
【關(guān)鍵詞】：BiFeO_3 電致阻變 缺陷 石墨烯
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP333
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 緒論11-25
• 1.1 引言11
• 1.2 新型非易失性存儲器11-12
• 1.3 阻變存儲器研究進(jìn)展12-18
• 1.3.1 阻變行為分類14-15
• 1.3.2 阻變效應(yīng)機(jī)理15-18
• 1.4 多鐵性材料18-22
• 1.4.1 BiFeO_318-20
• 1.4.2 BiFeO_3的阻變現(xiàn)象研究20-22
• 1.5 陷阱電荷現(xiàn)象22-23
• 1.6 本文的研究意義和研究內(nèi)容23-25
• 第二章 實(shí)驗(yàn)方法及原理25-33
• 2.1 引言25
• 2.2 薄膜制備25-26
• 2.3 薄膜結(jié)構(gòu)表征26-28
• 2.3.1 X射線衍射26-27
• 2.3.2 原子力顯微鏡27-28
• 2.4 導(dǎo)電原子力顯微鏡和壓電響應(yīng)力顯微鏡28-30
• 2.5 電致阻變和陷阱電荷現(xiàn)象測試方法30-32
• 2.6 本章小結(jié)32-33
• 第三章 外延BiFeO3阻變效應(yīng)與陷阱電荷研究33-52
• 3.1 引言33
• 3.2 結(jié)構(gòu)表征33-35
• 3.3 室溫電致阻變特性研究35-41
• 3.3.1 阻變與電脈沖關(guān)系研究37-40
• 3.3.2 Au/BFO/SRO器件室溫阻變機(jī)制分析40-41
• 3.4 陷阱電荷現(xiàn)象研究41-42
• 3.5 電致阻變效應(yīng)的溫度依賴性與陷阱電荷研究42-46
• 3.6 石墨烯/BFO結(jié)構(gòu)的阻變行為46-50
• 3.7 本章小結(jié)50-52
• 第四章 多晶BiFeO_3阻變效應(yīng)與陷阱電荷研究52-60
• 4.1 引言52
• 4.2 結(jié)構(gòu)表征52-54
• 4.3 室溫電致阻變特性研究54-56
• 4.3.1 Au/BFO/Pt器件室溫阻變機(jī)制分析55-56
• 4.4 陷阱電荷現(xiàn)象研究56-57
• 4.5 電致阻變效應(yīng)的溫度依賴性與陷阱電荷研究57-58
• 4.6 本章小結(jié)58-60
• 第五章 主要結(jié)論60-62
• 致謝62-63
• 參考文獻(xiàn)63-68
• 攻讀碩士學(xué)位期間取得的成果68-69

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：876397