离子注入下铁电薄膜的反铁电现象及其机理研究

论文摘要

铁电薄膜有着非常广泛的应用,利用铁电薄膜的极化取向随外场的方向而发生的变化以及极化在外场之后的保持特性,能够应用于存储领域,如铁电非挥发薄膜随机存储器件;利用铁电薄膜晶体的压电特性,可以应用在传感器领域,如悬臂梁,压力传感器;利用铁电薄膜的热电特性,可以做出非制冷红外探测器件。和传统类似器件相比较,铁电晶体具有自己独特的优势,如操作的可靠性高,器件响应速度快等。优化各种铁电器件的性能,是开展铁电薄膜研究工作的动力。开发出不同的铁电薄膜系列,是为了实现薄膜某一方面特殊性质在应用上的最大化。本文是关于离子注入下铁电薄膜的反铁电现象的深入研究,反铁电薄膜主要的价值在于能用在高电荷密度存储器件领域,但是反铁电薄膜的制备是受到固有反铁电材料种类的限制,普通的反铁电薄膜和铁电薄膜在制备上工艺和材料组分不同。反铁电薄膜所拥有的材料组分选择余地很小,例如在PZT中,锆Zr和钛Ti的比例只能在95:5到99:1之中,一旦超过这个范围,铁电薄膜就不显反铁电特性。本实验提供了一种新的制作类反铁电薄膜的方法,通过这种方法,能够在任意成份比例的铁电薄膜中实现薄膜的反铁电特性,这种方法通过离子掺杂,在铁电薄膜中形成一种稳定的分布掺杂离子,通过电荷补偿模式改变铁电薄膜畴的翻转特性。这种方法不仅提供了新的类反铁电薄膜的制备方法,同时也能够研究铁电薄膜电畴翻转的物理机制,在学术上有着重大的意义。实验采用了多种方法研究离子注入下铁电薄膜的反铁电现象,通过XRD比较得到氢离子注入铁电薄膜并没有改变铁电薄膜的相结构,但在滞回曲线上却使得在饱和极化值不变的情况下,剩余极化值急剧变小。通过改变不同的影响滞回曲线形状的参数得知氢离子的分布情况是铁电薄膜滞回曲线变化的主要原因。当用电学方法改变氢离子分布后,滞回曲线也相应的发生单向的变化,剩余极化值逐渐变大。最后通过交流的偏压后,薄膜的滞回曲线逐步恢复成原来的铁电滞回曲线状态。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 铁电体简介
• 1.2 铁电材料的应用
• 1.3 铁电存储器的研究现状
• 1.4 反铁电薄膜的应用
• 1.5 铁电薄膜的离子注入技术研究
• 1.6 本论文研究的背景意义
• 第二章 铁电薄膜的制备工艺和分析手段
• 2.1 铁电薄膜的主要制备工艺
• 2.1.1 溅射法
• 2.1.2 脉冲激光沉积法
• 2.1.3 金属有机物化学气相沉积
• 2.1.4 溶胶—凝胶法
• 2.2 铁电薄膜的的分析手段
• 2.2.1 铁电薄膜相结构XRD分析
• 2.2.3 铁电薄膜表面扫描电镜分析
• 2.2.4 铁电薄膜的电学测量分析
• 第三章 类反铁电薄膜的制备
• 3.1 引言
• 3.2 PZT铁电薄膜的制备
• 3.2.1 先体的配制过程
• 3.2.2 基片清洗工艺
• 3.2.3 薄膜制备工艺
• 3.2.4 离子注入工艺
• 3.2.5 上下电极的制备工艺
• 3.3 离子注入后铁电薄膜的表征
• 3.3.1 离子注入前后PZT薄膜的相结构对比
• 3.3.2 离子注入前后PZT薄膜的铁电性能对比
• 3.4 本章小结
• 第四章 掺杂原子对铁电薄膜的电畴翻转的影响机理研究
• 4.1 引言
• 4.2 掺杂原子对铁电薄膜电畴翻转的影响分析
• 4.2.1 PZT薄膜内氢离子浓度分布模拟
• 4.2.2 不同氢离子浓度分布对PZT薄膜滞回曲线的影响
• 4.2.3 掺杂氢离子对PZT薄膜电畴快速极化特性的影响
• 4.2.4 掺杂氢离子对PZT薄膜电畴漏电特性的影响
• 4.2.5 高温掺杂氢离子对PZT薄膜电畴滞回曲线特性的影响
• 4.3 离子注入后类反铁电薄膜的应用举例
• 4.3.1 类反铁电薄膜的电荷存储测量
• 4.3.2 类反铁电薄膜的可变介电常数测量
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 致谢