界面和应变对铁电薄膜漏电流影响的第一性原理研究

摘要

铁电存储器是一类具有良好应用前景的非挥发性存储器，同时也是促进铁电材料发展的动力。但是对于铁电存储器而言，由铁电失效带来的可靠性问题是其发展的阻碍。铁电失效主要包括疲劳、印记和保持性损失等。当薄膜的尺寸很小或达到纳米级别时，漏电流是造成铁电失效的主要原因之一，对于漏电流的调控一直是铁电工作者研究的热点。然而，漏电流影响因素的多样性和导电机制的复杂性，使得对漏电流的研究带来了一定的困难。随薄膜制备技术的发展及器件的微型化趋势，在众多漏电流的影响因素中，界面和应变效应变得更加重要，同时，界面和应变问题在薄膜制备时是必不可少的。在本论文中，采用第一性原理计算方法，研究了铁电薄膜的界面和应变对漏电流的影响，并得到了一定的调控规律，为薄膜界面及应变工程提供了理论基础。本论文的主要工作包括以下几个方面：
　　(1)以简单钙钛矿铁电体PbTiO3(PTO)为对象，采用第一性原理计算和非平衡格林函数结合的方法研究了不同电极对薄膜漏电流的影响。我们发现薄膜漏电流的大小不仅取决于电极的种类，也受界面终端的影响。总的来说，氧化物电极下薄膜的漏电流大于金属电极下的漏电流；TiO2界面终端PTO的漏电流大于PbO终端时的漏电流。同时为了理解界面影响的本质，我们还研究了体系的界面势垒，发现漏电流的大小很大程度上依赖于势垒的变化，这为我们制备材料时的选材提供了一定的理论指导；
　　(2)以PbTiO3(PTO)为对象，以SrTiO3(STO)为缓冲层，研究了缓冲层的加入对铁电薄膜极化对称性和漏电流的影响。发现 STO缓冲层的引入会不同程度地破坏 PTO薄膜的极化对称性，使指向上表面的极化状态更为稳定。这种对称性破缺是存储器产生印记失效的一个原因，但对某些铁电隧道结或压电传感器等器件而言，我们可以利用铁电薄膜的极化非对称性来优化器件的性能。同时，对其漏电流的研究我们发现，STO的加入使体系漏电流增大，这是由于相同条件下STO的漏电流比PTO的漏电流大很多；
　　(3)以BaTiO3(BTO)为对象，研究了不同应变对其极化强度及漏电流的影响。我们发现压应变增大c方向极化，减小漏电流；张应变减小c方向极化，增大漏电流。研究表明双轴平面应变对铁电薄膜的极化及漏电流具有一定的调控作用，通过适当的应变效应来改善薄膜性能是必要手段。

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第1章 绪论

1.1 铁电材料与铁电薄膜

1.2 铁电薄膜漏电流研究概况

1.3 铁电薄膜的界面和应变效应

1.4 本论文的选题依据与研究内容

第2章 密度泛函理论与第一性原理研究方法

2.1 密度泛函理论

2.2 格林函数方法与输运电流

2.3 本论文所用第一性原理计算软件

第3章 界面结构对漏电流的影响

3.1 引言

3.2 计算方法与模型

3.3 结果分析与讨论

3.4 结论

第4章 缓冲层对铁电薄膜极化对称性及漏电流的影响

4.1 引言

4.2 缓冲层引起的极化对称性破缺

4.3 缓冲层对铁电薄膜漏电流的影响

4.4 结论

第5章 外延应变对漏电流的调控

5.1 引言

5.2 计算方法与模型

5.3 结果讨论与分析

5.4 结论

第6章 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 工作展望

参考文献

致谢

个人简历、攻读硕士学位期间发表的学术论文