铋层状铁电材料铁电性能的相场理论分析

论文摘要

近年来,铁电薄膜已成为新型功能材料及微器件的研究热点。然而,可靠性问题如疲劳和印记被认为是器件应用的障碍。因此,理解这些失效的物理机制对铁电材料以及铁电薄膜存储器的应用和提高铁电材料及微器件的性能都是非常重要的。铁电体的自发极化是铁电材料的一个重要特性。不同的外加条件以及缺陷的产生和重新分布等影响了铁电极化反转能力,畴变效应将会导致集成系统结构和器件的失效。因此,研究铁电材料的畴结构及翻转过程以及外场对极化反转的作用,从而探讨铁电材料和器件的失效原因是非常必要的。相场模型已被用来研究铁电体中畴结构演化过程和外电场下极化的反转。本文创新之处在于用相场理论建立了描述畴结构的随时间演化过程的模型,分析了频率及应力对铁电性能的影响。考虑了界面层的影响,并讨论了引起印记失效的原因。其主要研究内容分以下三个部分:1.采用相场理论,用时变-德文希尔-金兹堡-朗道（TDGL）方程,以极化强度为序参量,模拟了钛酸铋畴结构的微观演化过程,得到了电场-极化的电滞回线。在总自由能中引入了由外加交变电场产生的静电能项,分析了频率的变化对铁电性能的影响。其结果表明,新畴的形成经历了成核、核成长、扩张和合并的过程;在畴翻转过程中,新畴的产生和旧畴的消失都在边界处发生;在不同频率的交变电场作用下,矫顽场随着电场频率的增加而增加,而剩余极化强度没有明显的变化。模拟得到的结果与实验一致。2.在外加一个恒定的应变下,用相场理论模拟了在电场下极化反转过程。模拟的结果表明,为了降低应变能使自由能达到最小,90°畴形成而没有180°畴的形成。用该模型获得了不同应力情况下的电滞回线和蝶形曲线,并分析了应力对铁电性能的影响。计算结果显示,剩余极化强度随着压应力的增大而增大（与应力为零是的极化强度相比）,随着张应力的增大而减小。场致应变随着压应力的增大而增大,随着张应力的增大而减小。模拟得到的结果与实验一致。3.采用TDGL方程分别对铁电层和界面层中极化随时间发生改变进行了描述,模拟得到了在界面层和铁电层的电滞回线。结果表明,铁电层中的电滞回线中产生了一个负的极化率区域。这就意味着由于界面层的存在,造成畴结构的钉扎,使得畴结构更难反转,从而需要在该方向加大电场强度来使极化发生偏转,即造成了该方向矫顽场的偏移,引起了印记的失效。由于介电常数的不同,铁电层与界面层中的电场重新分布。界面层中电场强度很高并出现了一个正向偏移,而铁电层中的电场强度较低且出现了一个负向偏移。改变不同的界面层厚度比,发现由于界面层厚度比越大,空间电荷的数目就越多,则形成的内建电场就越大,矫顽场偏移越严重。通过与实验对比,证明了界面层是一种弱铁电性物质,并具有较低的介电常数。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 铁电体和铁电薄膜
• 1.1.1 铁电体和铁电薄膜概述
• 1.1.2 铁电薄膜的应用
• 1.2 铁电薄膜中的极化反转与畴结构
• 1.2.1 自发极化和畴
• 1.2.2 极化反转过程
• 1.2.3 畴结构的研究现状
• 1.2.4 畴结构的研究意义
• 1.3 相场理论研究畴变过程
• 1.3.1 相场方法
• 1.3.2 影响畴结构变化的主要因素
• 1.4 本文的选题背景和研究内容
• 1.5 本文的结构安排
• 第2章 电载荷下钛酸铋畴结构演化及铁电性能
• 2.1 相场理论模型
• 2.2 钛酸铋二维畴结构的模拟
• 2.2.1 参数的选择
• 2.2.2 问题的描述及数值模拟的方法
• 2.3 外加电场对铁电性能的影响
• 2.3.1 原型畴结构的形成
• 2.3.2 外加正弦电场作用下的极化反转
• 2.3.3 频率与极化强度的关系
• 2.4 本章小结
• 第3章 力电载荷下钛酸铋的畴结构演化及铁电性能
• 3.1 考虑弹性应变能相场理论模型
• 3.1.1 内应力产生的原因
• 3.1.2 弹性应变能对畴结构稳定性的影响
• 3.2 应力/应变作用下二维畴结构的模拟
• 3.2.1 问题的描述
• 3.2.2 参数的选择
• 3.3 外加应力/应变对铁电及电致伸缩性能的影响
• 3.3.1 应变作用下畴结构的演化
• 3.3.2 应力对电滞回线和蝶形曲线的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于TDGL方程的铁电薄膜电容器印记失效分析
• 4.1 铁电存储器中的印记失效
• 4.2 TDGL方程描述的具有界面层的铁电薄膜电容器印记失效模型
• 4.3 界面层对铁电薄膜电容器铁电性能的影响
• 4.3.1 各层中的铁电性能
• 4.3.2 极化与电场的时间空间分布
• 4.3.3 不同厚度比对电滞回线的影响
• 4.3.4 与BIT薄膜电滞回线的对比情况
• 4.4 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论文