微观结构对铁电电畴影响机理的相场理论研究

摘要

非易失性铁电存储器因其优良的特性而有着广泛的应用前景，被认为是最有潜力的存储装置。但是铁电存储器也存在一系列亟待解决的失效问题，主要包括疲劳、印记及保持性能损失。铁电存储器的失效现象本质上与铁电薄膜的极化(畴结构)有关。因此要解决铁电存储器的可靠性问题，就必须要研究影响铁电薄膜畴结构演化的因素及其内在的影响机理。界面失配应变、位错等微观结构会对铁电薄膜的畴结构产生重要的影响。关于界面失配应变，已有的研究表明铁电材料界面的失配应变会对畴壁产生影响，但其影响的内部机理尚不明确，需要进一步研究。位错作为一种常见的缺陷，通常会是极化翻转过程中新畴的潜在成核点，这是因为位错附近存在较大的应变梯度，应变梯度与极化通过挠曲电效应发生耦合产生挠曲电极化，从而对铁电薄膜畴结构产生很大的影响。但已有的位错相场理论模型中，并没有考虑挠曲电效应，因此需要对模型进行进一步的优化。本论文的主要工作包括以下几个方面：
　　(1)建立了基于有限元的相场模型。在本文的模型中，失配应变是直接施加于界面处。利用此模型研究了界面失配应变对畴壁移动、倾斜角变化、应变梯度及畴壁能的影响，证明了界面失配应变对畴的形状、畴壁性能具有调控作用。
　　(2)建立了位错相场模型，并在此模型基础上考虑挠曲电效应的影响，对已有模型进行修正。研究了不同的挠曲电系数f11、f12、f44单独和组合作用时位错对极化的影响。模拟结果与实验结果对比发现，综合考虑三种挠曲电耦合方式时，位错对畴结构的作用效果与实验吻合。而不考虑或者只考虑其中一种或两种时，模拟得到的结果要弱于实验结果。
　　(3)以Pb(Zr0.1Ti0.9)O3(PZT)为研究对象，研究了考虑挠曲电效应时单个位错对极化的影响。分别考虑了位错存在于界面处的单畴中、薄膜内的单畴中、90o畴a畴中、90o畴c畴中几种情况。研究表明在位错的位置，新的畴会形成。
　　(4)研究了考虑挠曲电效应时，周期位错对极化和极化响应的影响。分别研究了处于界面处的单畴中、薄膜内的单畴中、90o畴中的周期位错对极化的影响。结果表明在挠曲电效应的影响下，多个位错会对极化产生很大的钉扎作用，从而导致薄膜的极化翻转变得困难以及剩余极化的减小。

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第1章 绪论

1.1 铁电材料及铁电存储器概述

1.2 铁电存储器内微观结构的影响机理及研究现状

1.3 本论文的选题依据和主要内容

第2章 有限元计算方法与相场理论介绍

2.1 相场理论及经典相场模型建立

2.2 挠曲电效应相场模型建立

2.3 有限元方法

2.4 本章小结

第3章 失配应变对铁电薄膜90o畴结构的影响

3.1 铁电薄膜失配应变相场模型建立

3.2 模拟结果与讨论

3.3 本章小结

第4章 位错相场模型的建立

4.1 仅考虑压电效应的位错相场模型

4.2 考虑挠曲电效应的位错相场模型

4.3 本章小结

第5章 单位错对铁电薄膜畴结构的影响

5.1 引言

5.2 模型建立

5.3 计算结果与讨论

5.4 本章小结

第6章 周期位错对铁电薄膜畴结构及极化响应的影响

6.1引言

6.2 模型建立

6.3 计算结果与讨论

6.4 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 论文总结

7.2 研究展望

参考文献

附录：刃型位错的应力场

致谢

个人简历与在学期间发表的学术论文