鐵電存儲器用鈦酸鉍材料的第一性原理計算及電導機制分析.pdf

1、鐵電存儲器以其非揮發(fā)性(即使在電源突然斷開的時候芯片仍能保存存儲在其中的信息)、高寫入速度、低功率消耗、低的操作電壓、高重復讀寫能力以及優(yōu)異的抗輻射等優(yōu)越的性能,成為存儲器領域最具發(fā)展?jié)摿Φ漠a(chǎn)品。而鐵電材料的選擇是其實現(xiàn)商業(yè)化應用的關鍵。在鐵電材料中,使用最多的是鈣鈦礦結構鐵電如Pb(ZrxTi1-x)O3(PZT)和鉍層狀結構鐵電如SrBi2Ta2O9(SBT),但是PZT材料,它含有有毒元素鉛,對環(huán)境有污染,且抗疲勞性較差;SBT材

2、料,雖然抗疲勞性好,但是制備溫度過高,很難與大規(guī)模集成器件集成。因此,尋找適合鐵電存儲器用的新型鐵電材料成為研究熱點之一。
　　近年來,摻雜的鈦酸鉍材料因其無鉛特性,大自發(fā)極化,低處理溫度,高居里溫度,以及優(yōu)異的抗疲勞特性受到了人們的廣泛關注。實驗上,人們提出了A位摻雜、B位摻雜,以及A,B位共摻雜的方法,來提高BIT的鐵電性能,并取得了一定的成效。但其摻雜的內部的機理卻并不明朗。
　　在BIT器件的應用過程中,實驗上觀測到

3、器件的漏電流比較大,成為限制它應用的一個主要因素。人們對于BIT的漏電流屬性在實驗和理論方面都做了研究。實驗上,A,B位共摻雜的方法,被認為是改善其漏電流屬性的有效方法之一。在理論方面,研究結果表明,漏電流與Bi3+離子的揮發(fā)及氧空穴有關,并且材料中存在的雜質也被認為是產(chǎn)生漏電流的原因之一。人們也相應地提出很多的理論模型去解釋實驗上觀測到的實驗現(xiàn)象,但是其真正的內在機制還是存在爭議。而當器件的漏電流過大時,就會影響到極化翻轉的測量,嚴重

4、時甚至會導致鐵電存儲器件的短路,導致存儲失敗。因此弄清BIT的電導機制,改善漏電流屬性尤為重要。
　　本論文采用基于密度泛函理論的第一性原理方法,結合贗勢投影平面波(PP-PAW)方法,針對BIT鐵電體鉍層狀鈣鈦礦結構的總能和電子結構等物理性質系統(tǒng)地進行了理論研究,并取得了以下主要成果:
　　1)總能和電子結構的計算結果表明,BIT鐵電相的穩(wěn)定性主要源自于Bi2O2層和Bi2Ti3O10鈣鈦礦層的畸變以及它們之間相互耦合作用

5、釋放出來的弛豫能;BIT產(chǎn)生鐵電性質的主要原因是源自于B位的Ti離子和O離子之間存在強烈的雜化;而A位的Bi和O之間存在的較弱的共價雜化則進一步促進了鐵電相的穩(wěn)定。
　　2)由電荷密度和AIM理論計算的遷移電荷結果表明,BIT的結構畸變和鐵電性質的主要誘導因素來源于B位Ti離子和O之間以及Bi和O之間的共價雜化作用;而B位Ti離子和O之間的共價雜化是產(chǎn)生畸變的主導因素。
　　3)將第一性原理計算得到的鐵電相BIT的能帶結構,

6、與MIGS理論相結合,我們計算得到了BIT與Pt電極相接觸時產(chǎn)生的肖特基勢壘的高度,其值為1.26eV,如此大的勢壘足以抑制從金屬向BIT導帶的發(fā)射肖特基電流,這也就意味著在BIT的電導機制中,界面限制肖特基發(fā)射機制是不占主導地位的。
　　4)在實驗方面,對提取的實驗數(shù)據(jù)用界面限制肖特基發(fā)射機制公式來進行擬合,證明了我們的計算結果的正確性。而肖特基發(fā)射機制是一種最接近本征的電導機制,也說明了BIT中漏電流可以通過摻雜或改善實驗條件