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摘要：铁电材料具有自发极化强度,其极化方向在外加电场的作用下可以在两个稳态之间翻转,基于这一机理的铁电存储器已得到了商业化的运用。本论文主要对在高密度存储领域有运用潜力的无机铁电材料铁酸铋和适用于低成本RFID存储的有机铁电材料偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物P(VDF-TrFE)进行了薄膜制备和性能探讨。针对两种材料在运用中的不足,一方面探讨如何提升由薄膜应力导致的具有高度择优取向的铁酸铋薄膜的极化保持性能,另一方面探讨如何提升P(VDF-TrFE)有机铁电薄膜存储器的擦写速度,降低擦写电压。本论文主要内容如下：一、利用脉冲激光沉积系统(PLD)制备了氧空位掺杂的半导体铁酸铋薄膜,利用原子力显微镜对薄膜的电畴结构进行了微观表征,检验薄膜质量。采取分离铁电畴极化翻转电流和薄膜漏电流的策略获得半导体铁电薄膜的电滞回线,并对结果进行浅析。主要结果如下：1、利用脉冲激光沉积和射频磁控溅射策略,制备了平整的氧化物底电极薄膜及不同化学配比的铁酸铋薄膜。原子力显微镜结果显示,在原子级平整的底电极表面生长的铁酸铋薄膜具有矩形规则排列的晶粒。运用原子力显微镜浅析了不同组分薄膜的电畴结构及微观的电畴弛豫特性,测量结果与宏观电学性能吻合。2、对有较大漏电流的半导体铁酸铋薄膜的测量技术进行了探讨,通过将铁电薄膜的电畴翻转电流与薄膜漏电流分离并转换为电滞回线的策略,得到了半导体薄膜的矫顽电压及极短时间内的印刻效应和极化保持特性,弥补了以往的测试技术仅能够表征绝缘薄膜的局限性。实验数据证明了该技术测试结果的可靠性,并且发现半导体铁酸铋薄膜的矫顽电场在外加电压增大的情况下基本保持在320kV/cm左右,远高于绝缘薄膜的矫顽电场,证明了半导体薄膜具有与绝缘薄膜不同的电畴翻转机制。3、为了探讨漏电流对铁酸铋薄膜电学性能的影响,解决应力薄膜保持性能较差的科学难题,分别对三种铁含量的薄膜进行了电学测试。提出运用电荷注入机制改善以上薄膜的保持性能的案例,为应力超薄膜在铁电器件中的运用探讨出一条新的解决途径。结果表明,在膜厚下降时由应力造成的薄膜内固定电荷形成的退极化电场使得薄膜的极化保持性能(Retention)普遍下降,但是随薄膜中铁含量的增加情况逐渐有所好转。实验中利用的外加负向电压脉冲对薄膜进行电荷注入的策略,可显著改善薄膜的极化保持性能。得出了薄膜漏电流密度的大小可显著影响电荷补偿作用和极化保持性能的结论,证明了通过电荷注入机制来改善薄膜保持性能的科学性。二、为了提升P(VDF-TrFE)有机铁电薄膜存储器的擦写速度、降低擦写电压。我们采取Spin-coating策略制备了P(VDF-TrFE)薄膜,采取串联等效电容电路模型对薄膜的电畴翻转特性进行了浅析,以电畴微观极化翻转历程提出不足的解决案例。主要结果如下：1、发现P(VDF-TrFE)薄膜较高的矫顽电压很大程度上是薄膜中非铁电相及界面层形成的等效非铁电电容分压的结果。串联等效电容模型的策略可以排除薄膜中非铁电相和界面层的干扰因素,得到薄膜的等效铁电电容和本征的矫顽电压。通过浅析不同速度的电畴翻转历程,证明了等效非铁电电容会随测试脉冲频率的增大而减小,以而导致了利用高频电压脉冲测量时薄膜矫顽电压的增大和剩余极化的减小2、在采取等效电路提取薄膜等效铁电电容的基础上,通过平行板电容器模型在无需求得等效铁电层厚度的情况下得到计算薄膜本征矫顽电场的策略,通过比较不同厚度的P(VDF-TrFE)薄膜本征矫顽电场得到了与论述计算相近的结果。以上模型能够定量地浅析铁电薄膜中非铁电成分的含量及其对薄膜电学性能的影响,解决了现有测试浅析手段无法定量表征界面非铁电层电容的困难。关键词：铁酸铋薄膜论文P(VDF-TrFE)薄膜论文极化保持性能论文串联等效电容模型论文
摘要5-7
Abstract7-9
第一章 前言9-30
1.1 运用于铁电存储器的材料9-11
1.1.1 PZT,SBT,BiFeO_39-11
1.1.2 有机铁电材料P(VDF-TrFE)11
1.2 薄膜铁电材料的制备方式11-15
1.2.1 磁控溅射12-13
1.2.2 脉冲激光沉积13-14
1.2.3 制备有机P(VDF-TrFE)薄膜的策略14-15
1.3 铁电存储器采取的结构15-17
1.3.1 1T/1C结构和铁电场效应晶体管(FeFET)15-17
1.4 铁电存储器的进展17-22
1.4.1 高密度铁电存储器的探讨进展17-22
1.4.1.1 超薄铁电膜中的TER效应17-20
1.4.1.2 极化调制阻变效应20-22
1.4.2 低成本有机铁电存储器22
1.5 本论文的探讨方向及主要内容22-24