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《湘潭大学》 2010年
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外场作用下多畴PZT铁电薄膜相变及印记失效分析

殷旺  
【摘要】: 近年来,铁电薄膜因在非挥发随机存储器、可调微波器件和微机电系统等新型功能器件中有着重要的应用,成为了材料领域非常重要的研究热点。本文主要关注铁电薄膜应用中存在的以下两个方面的问题:首先,当外场作用于铁电薄膜时,薄膜会发生相变。相变后薄膜的各种性能会发生较大改变,因此研究铁电薄膜在外场下的相变具有非常重要的意义。本文将从理论和实验两方面来研究铁电薄膜的相变。其次,铁电薄膜的印记失效是制约铁电随机存储器广泛应用的重要原因之一。本文采用Landau-Khalatnikov(LK)理论研究了铁电薄膜电容器的印记失效。本文的主要内容分为以下几个方面: 1、采用非线性热力势函数研究了失配应变一定时,外加应力、外加电场对生长在立方基底上多畴Pb(Zr1-xTix)O3(PZT)铁电薄膜相图的影响。得到了钛组分分别为0.4、0.5、0.6、0.7、0.8和0.9的多畴PZT铁电薄膜的“外加应力-外加电场”相图。相图主要由a相、ac相和c相组成,各个相在相图中的稳定区域随着钛组分的增加而改变。外加应力和外加电场都可以使薄膜发生铁电相变。 2、采用非线性热力势函数研究了外加应力一定时,外加电场、失配应变对生长在立方基底上多畴PZT铁电薄膜的相图及铁电性能的影响。得到了钛组分分别为0.4、0.5、0.6、0.7、0.8和0.9时多畴PZT薄膜的“外加电场-失配应变”相图及失配应变一定时的“极化分量-外加电场”关系图。相图主要由a相、ac相和c相组成,各个相的稳定区域随着钛组分的增加而改变。外加电场和失配应变都可以使薄膜发生铁电相变。相变前后极化分量的分布不同,它会随着钛组分的改变而改变。 3、利用扫描探针显微镜(SPM)研究了多畴Pb(Zr0.52Ti0.48)O3铁电薄膜的电畴结构及其在外加电场下的电畴翻转和相变。得到了薄膜中单个晶粒发生相变的外加电场在120 kV/cm-160 kV/cm之间。利用非线性热力学势理论研究了单个晶粒在同等情况下的相变,得到其相变电场为139 kV/cm。可以看到实验和理论结果相吻合,证实了模型的正确性。本章对研究外加电场下的铁电畴状态具有指导意义。 4、用LK方程阐述了铁电薄膜电容器中钝化层和铁电层的极化对时间的偏导,并根据铁电电容器中各层的电流连续性,画出了每层中的电场、极化强度随时间的演化曲线。分析得到了不同钝化层厚度下铁电电容器中的电滞回线。厚度越厚,空间电荷数越多,产生的内建电场就越强,进而使铁电层电场产生的异常越明显,从而使印记失效越明显。我们模拟的电滞回线形状及偏移情况与已有的实验及模拟结果一致。本章对研究铁电薄膜印记失效及设计铁电器件有指导意义。
【学位授予单位】:湘潭大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TM221

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