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FRAM铁电材料的微结构与电性能研究

作　者: 刘敬松
导　师: 张树人
学　校: 电子科技大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 铁电随机存储器 铁电薄膜 PbZr1-xTixO3 SrBi2Ta2O9 薄膜织构 纳米尺度 电畴 极化反转 电性能 疲劳
分类号: TB34
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要


铁电材料与微电子技术相结合,促成了新兴交叉学科——集成铁电学的出现,以铁电随机存储器（FRAM）为代表的铁电集成器件的诞生,推进了信息时代的发展。FRAM器件利用了铁电材料剩余极化双稳态的特点,具有非易失、高密度、抗辐射、抗干扰等优点,被认为是下一代的主存储器,FRAM的研制是当今材料科学领域的研究前沿。 ABO3型PbZr1-xTixO3（0<x<1,PZT）和铋层状SrBi2Ta2O9（SBT）是FRAM器件应用最主要的两种材料。由于薄膜科学与技术的发展,人们已经可以采用成熟的硅基CMOS工艺制作低密度的FRAM器件。但是,由于目前对铁电薄膜的生长、微结构及其与电性能的关系,特别是对电畴及其与疲劳行为的关系、电性能与薄膜尺寸的依赖关系,认识还不够完全,使得大规模产业化高密度的FRAM器件尚存在一定困难。此外,材料的选择也陷入两难的境地,一方面,PZT材料具有较高的极化强度,但是疲劳现象严重;另一方面,SBT材料是一种无疲劳材料,但是它的极化仅沿α轴方向产生,并且剩余极化相当小。铁电薄膜的开发现状在一定程度上制约了FRAM器件的发展。 本论文正是针对以上问题而展开,以SBT和PZT铁电薄膜材料为研究对象,紧紧围绕材料的微结构与电性能的关系这一主题,从理论和实验上进行了材料的改性、薄膜生长、电性能与薄膜尺寸及织构的依赖关系、电畴及其与疲劳行为的关系等几方面的研究,取得了一系列具有创新性的研究成果,归纳起来,主要有以下几个方面: （1）通过大量试验研究发现La3+掺杂可以提高SBT陶瓷材料的电性能,La3+引入后主要替代Bi3+,引起了晶格畸变,因而使电性能得到了提高,但是过量（超过6 at.%）掺杂导致了La3+替代Sr2+,不等价替代松弛缓和了晶格畸变,电性能反而下降。 （2）在多次重复实验中,观察到了W6+掺杂SBT陶瓷低频低电场下的锯齿状电滞回线,研究认为,这是因为B位不等价替代形成了缺陷偶极子,缺陷偶极子对系统极化的贡献是一种扰动,所以造成了锯齿状电滞回线。将缺陷偶极子的扰动假设成简谐振子的运动,结合Preisach模型,成功地模拟了锯齿状电滞回线,并演绎了驰豫角的新概念。驰豫角的物理意义说明,在高频高场的条件下缺陷偶极子的扰动作用不存在,因而不表现出锯齿状电滞回线。

全文目录


摘要  4-7
ABSTRACT  7-12
第一章 绪论  12-24
  1.1 铁电材料概述  13-14
  1.2 铁电存储器的特点  14-15
  1.3 铁电薄膜研究现状  15-22
  1.4 本论文研究内容  22-24
第二章 掺杂SBT陶瓷的晶格结构与电性能  24-36
  2.1 引言  24-25
  2.2 La~(3+)掺杂的SBT陶瓷  25-30
  2.3 W~(3+)掺杂的SBT陶瓷  30-35
  2.4 本章小结  35-36
第三章 SBT、PZT铁电薄膜的生长与性能  36-60
  3.1 引言  36-38
  3.2 脉冲激光沉积法生长SBT薄膜的织构  38-43
  3.3 化学液相法交替沉积PZT、SBT薄膜  43-54
  3.4 退火工艺对PZT薄膜生长的影响  54-58
  3.5 本章小结  58-60
第四章 铁电薄膜的电性能随尺度变化的规律  60-69
  4.1 引言  60-61
  4.2 实验过程及结果  61-63
  4.3 理论分析及模型  63-68
  4.4 本章小结  68-69
第五章 铁电薄膜的电畴与疲劳机理  69-89
  5.1 引言  69-70
  5.2 实验过程  70-71
  5.3 SBLT薄膜的电畴结构及疲劳特性  71-76
  5.4 PZT、SBT薄膜的电畴在疲劳过程中的演变  76-83
  5.5 SBLT薄膜的90°极化反转及疲劳机理  83-88
  5.6 本章小结  88-89
第六章 FRAM器件的制作与测试  89-95
  6.1 FRAM器件的制作  89-91
  6.2 原型器件的测试  91-95
第七章 结论与展望  95-99
  7.1 全文工作总结  95-97
  7.2 本论文的主要创新点  97-98
  7.3 展望  98-99
参考文献  99-113
致谢  113-114
读博期间的研究成果  114-115

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 功能材料
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