Al掺杂对HfO2俘获层可靠性影响第一性原理研究

采用基于MS(Materials Studio)软件和密度泛函理论的第一性原理方法, 研究了HfO₂ 俘获层的电荷俘获式存储器(Charge Trapping Memory, CTM)中电荷的保持特性以及耐擦写性. 在对单斜晶HfO₂中四配位氧空位(V_O4) 缺陷和V_O4 与Al替位Hf掺杂的共存缺陷体(Al+V_O4)两种超晶胞模型进行优化之后, 分别计算了其相互作用能、形成能、Bader电荷、态密度以及缺陷俘获能. 相互作用能和形成能的计算结果表明共存缺陷体中当两种缺陷之间的距离为2.216 Å时, 结构最稳定、缺陷最容易形成; 俘获能计算结果表明, 共存缺陷体为双性俘获, 且与V_O4缺陷相比, 俘获能显著增大; Bader电荷分析表明共存缺陷体更有利于电荷保持; 态密度的结果说明共存缺陷体对空穴的局域能影响较强; 计算两种模型擦写电子前后的能量变化表明共存缺陷体的耐擦写性明显得到了改善. 因此在HfO₂俘获层中可以通过加入Al杂质来改善存储器的保持特性和耐擦写性. 本文的研究可为改善CTM数据保持特性和耐擦写性提供一定的理论指导.     

HfO_2中影响电荷俘获型存储器的氧空位特性第一性原理研究

随着器件尺寸进一步等比例缩小,高k材料HfO2作为俘获层的电荷俘获型存储器展现了较好的耐受性和较强的存储能力,且工艺相对简单,与传统半导体工艺完全兼容,因此得到了广泛的研究.为研究HfO2中氧空位引入的缺陷能级对电荷俘获型存储器存储特性的影响,运用第一性原理计算分析了HfO2中的氧空位缺陷.通过改变缺陷超胞中的电子数模拟器件的写入和擦除操作,发现氧空位对电荷的俘获基本上不受氧空位之间距离的影响,而氧空位个数则影响对电子的俘获,氧空位数多,俘获电子的能力就强.此外,四价配位的氧空位俘获电子的能力比三价配位的氧空位大.态密度分析发现四价配位的氧空位引入深能级量子态数大,并且受氧空位之间的距离影响小,对电子的俘获概率大.结果表明,HfO2中四价配位的氧空位缺陷有利于改善电荷俘获型存储器的存储特性.     

Al与α-Fe2O3纳米界面铝热反应的从头计算分子动力学研究

在正则系综统下,温度为2000 K时,利用基于密度泛函理论的第一性原理分子动力学计算方法对Al与赤铁矿α-Fe₂O₃的铝热反应进行了研究. 模拟得出Fe–O键的数量随着时间的增加而减小,Al–O键和Fe–Fe键的数量随时间的增加而增大;同时Fe离子总的电荷量随时间的增加而减小,而Al离子总的电荷量随时间的增加而增大. 模拟结果表明,在Al/Fe₂O₃铝热反应中发生了氧化还原反应,Al被氧化,Fe离子被还原;在界面处生成Al–O键,Fe–O键发生断裂;氧化还原反应完成需约3 ps. 关键词： 铝热反应 密度泛函理论 分子动力学 正则系综     

改善Si3N4俘获层过擦现象的第一性原理研究

采用第一性原理方法对如何改善电荷俘获存储器的过擦现象进行了研究. 过擦是由于氮空位中Si原子对电荷的局域能力弱导致, 因此, 在Si₃N₄超胞中分别建立了以C, N, O替换氮空位中的Si原子的缺陷结构作为本文的研究模型. 分别计算了擦写之后体系的巴德电荷分布、相互作用能、态密度, 借以分析替位原子对过擦的影响. 巴德电荷分布的计算结果表明, Si₃N₄在O替位128号Si后的过擦现象被明显改善; C替位128号Si也可以改善过擦, 但由于C替位对电荷的局域作用变弱, 不利于电荷的存储实现; N替位128号Si则不能改善过擦; 而在162和196号Si位置, 三种原子的替换均无法改善过擦现象. 相互作用能的研究表明, 在128号Si位置, 三种原子都能够和氮空位形成团簇, 在体系中稳定存在. 特别地, O替位Si后, 体系中两缺陷的相互吸引作用最弱, 从而写入的电荷能够短暂的打破O团簇的稳定性, 实现电荷重构, 将电荷局域在O团簇周围. 此外, 态密度的分析结果表明O在128号Si位置能够在Si₃N₄禁带中引入深能级缺陷, 深能级局域电荷的能力强. 以上分析证明, O替位可以很好的改善Si₃N₄中的过擦现象. 本文的研究结果为电荷俘获存储器改善过擦提供了一种方法, 对提高器件的电荷保持特性和优化存储窗口具有指导意义.     

阻变存储器复合材料界面及电极性质研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理对比研究了Cu（111）/HfO₂（001）,Cu（111）/HfO₂（010）,Cu（111）/HfO₂（100）三种复合材料界面模型的失配率、界面束缚能、电荷密度、电子局域函数以及差分电荷密度. 计算结果表明：Cu（111）/HfO₂（010）失配率最小,界面束缚能最大,界面体系相对最稳定;对比电荷密度及电子局域函数图显示,只有HfO₂（010）方向形成的复合材料体系出现了垂直Cu电极方向完整连通的电子通道,表明电子在此方向上具有局域性、连通性,与阻变存储器（RRAM）器件导通方向一致;差分电荷密度图显示,Cu（111）/HfO₂（010）复合材料体系界面处存在电荷密度分布重叠的现象,界面处有电子的相互转移、成键的存在;进一步计算了Cu（111）/HfO₂（010）体系距离界面不同位置的间隙Cu原子形成能,表明越靠近界面Cu原子越容易进入HfO₂ 体内,在外加电压下易发生电化学反应,从而导致Cu导电细丝的形成与断裂. 研究结果可为RRAM存储器的制备及性能的提高提供理论指导和设计工具. 关键词： 阻变存储器 复合材料 界面 电子通道     

γ射线作用下氧化铪基MOS结构总剂量效应研究

使用原子层淀积方法得到了7.8 nm厚度的HfO₂薄膜并通过直接溅射金属铝电极得到了Al/HfO₂/Si MOS电容结构,测量得到了HfO₂基MOS结构在60Co γ射线辐照前后的电容-电压特性,使用原子力显微镜得到了HfO₂薄膜在辐照前后的表面微观形貌,使用X射线光电子能谱方法测量得到了HfO₂薄膜在辐照前后的化学结构变化。研究发现,使用原子层淀积方法制备的HfO₂薄膜表面质量较高;γ射线辐照在HfO₂栅介质中产生了数量级为1012 cm-2的负的氧化层陷阱电荷;HfO₂薄膜符合化学计量比,介质内部主要的缺陷为氧空位且随着辐照剂量的增加而增加,说明辐照在介质中引入了陷阱从而导致MOS结构性能的退化。     

缺陷对电荷俘获存储器写速度影响

基于密度泛理论的第一性原理以及VASP软件,研究了电荷俘获存储器(CTM)中俘获层HfO2在不同缺陷下(3价氧空位(VO3)、4价氧空位(VO4)、铪空位(VHf)以及间隙掺杂氧原子(IO))对写速度的影响.对比计算了HfO2在不同缺陷下对电荷的俘获能、能带偏移值以及电荷俘获密度.计算结果表明:VO3,VO4与VHf为单性俘获,IO则是双性俘获,HfO2在VHf时俘获能最大,最有利于俘获电荷;VHf时能带偏移最小,电荷隧穿进入俘获层最容易,即隧穿时间最短;同时对电荷俘获密度进行对比,表明VHf对电荷的俘获密度最大,即电荷被俘获的概率最大.通过对CTM的写操作分析以及计算结果可知,CTM俘获层m-HfO2在VHf时的写速度比其他缺陷时的写速度快.本文的研究将为提高CTM操作速度提供理论指导.     

电荷俘获存储器的过擦现象

基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法和VASP软件对电荷俘获存储器过擦现象进行了分析研究.通过形成能的计算,确定了含有氮空位缺陷的Si3N4和含有间隙氧缺陷的Hf O2作为研究的对象;俘获能的计算结果表明两种体系对电子的俘获能力比对空穴的大,因而对两体系擦写载流子确定为电子.分别计算了Hf O2和Si3N4擦写前后的能量、擦写前后电荷分布变化、吸附能和态密度,以说明过擦的微观机理.对能量和擦写电荷变化的研究,表明Si3N4相比于Hf O2,其可靠性较差,且Si3N4作为俘获层,在一个擦写周期后,晶胞中电子出现减少现象;界面吸附能的研究表明,Si3N4相比于Hf O2在缺陷处更容易与氧进行电子交换;最后,通过对态密度的分析表明Si3N4和Hf O2在对应的缺陷中均有缺陷能级俘获电子,前者为浅能级俘获,后者为深能级俘获.综上分析表明,Si3N4在氮空位的作用下,缺陷附近原子对电子的局域作用变弱,使得Si3N4作为俘获层时,材料本身的电子被擦出,使得擦操作时的平带偏移电压增大,导致存储器发生过擦.本文的研究结果揭示了过擦的本质,对提高电荷俘获存储器的可靠性以及存储特性有着重要的指导意义.     

含空位二维六角氮化硼电子和磁性质的密度泛函研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算, 研究了含B原子空位(V_B), N原子空位(V_N), 以及含B–N键空位 (V_B+N)缺陷的二维氮化硼(h-BN)的电子和磁性质. 在微观结构上, V_B体系表现为在空位附近的N原子重构成等腰三角形, V_N体系靠近空穴的B 原子形成等边三角形, V_B+N体系靠近空穴处的B和N原子在h-BN平面上重构为梯形. 三种空位缺陷都使h-BN的带隙类型从直接带隙转变为间接带隙. V_B体系的总磁矩为1.0 μ_B, 磁矩全部由N原子贡献. 其中空穴周围的三个N原子磁矩方向不完全一致, 存在着铁磁性和反铁磁性两种耦合方式. 对于V_N 体系, 整个晶胞内的总磁矩也为1.0 μ_B, 磁矩在空穴周围区域呈现一定的分布. 关键词： 二维h-BN 空位 电子结构 磁性     

本征缺陷对β-Ga2O3光催化性质影响的第一性原理研究

运用第一性原理杂化泛函研究了本征缺陷(O空位和Ga空位)对于β-Ga₂O₃的几何结构和电子性质的影响.计算结构表明:杂化泛函B3LPY能很好的描述β-Ga₂O₃的几何结构和电子结构,能与实验符合.含O缺陷的形成能在富氧和贫氧下分别为4.04和0.92 eV,优于含Ga缺陷的体系.空位缺陷的出现对于理想Ga₂O₃的晶格参数影响不显著,只是在O空位体系中,空位附近Ga-O键长有0.1?变化.含空位缺陷的体系的禁带中都有缺陷能级的出现,含Ga和O空位缺陷的Ga₂O₃的光跃迁能分别为1.93 eV(β自旋)和2.92 eV,有很明显的光吸收的拓展,从理论上解释了Ga₂O₃作为光催化材料的潜在应用.     

Ti/HfO2/Pt阻变存储单元中的氧空位聚簇分布

为了研究阻变存储器导电细丝的形成位置和分布规律, 使用X射线光电子能谱研究了Ti/HfO₂/Pt阻变存储器件单元中Hf 4f的空间分布, 得到了阻变层的微结构信息. 通过I-V测试, 得到该器件单元具有典型的阻变特性; 通过针对Hf 4f的不同深度测试, 发现处于低阻态时, 随着深度的增加, Hf⁴⁺化学组分单调地减小; 而处于高阻态和未施加电压前, 该组分呈现波动分布; 通过Hf⁴⁺在高阻态和低阻态下组分含量以及电子能损失谱分析, 得到高阻态下Hf⁴⁺组分的平均含量要高于低阻态; 另外, 高阻态和低阻态下的O 1s谱随深度的演变也验证了Hf⁴⁺的变化规律. 根据实验结果, 提出了局域分布的氧空位聚簇可能是造成这一现象的原因. 空位簇间的链接和断裂决定了导电细丝的形成和消失. 由于导电细丝容易在氧空位缺陷聚簇的地方首先形成, 这一研究为导电细丝的发生位置提供了参考.     

MoO_3/Si界面区钼掺杂非晶氧化硅层形成的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,通过模拟MoO_3/Si界面反应,研究了MoO_x薄膜沉积中原子、分子的吸附、扩散和成核过程,从原子尺度阐明了缓冲层钼掺杂非晶氧化硅(a-SiO_x(Mo))物质的形成和机理.结果表明,在1500 K温度下, MoO_3/Si界面区由Mo, O, Si三种原子混合,可形成新的稳定的物相.热蒸发沉积初始时, MoO_3中的两个O原子和Si成键更加稳定,同时伴随着电子从Si到O的转移,钝化了硅表面的悬挂键. MoO_3中氧空位的形成能小于SiO_2中氧空位的形成能,使得O原子容易从MoO_3中迁移至Si衬底一侧,从而形成氧化硅层;替位缺陷中, Si替位MoO_3中的Mo的形成能远远大于Mo替位SiO_2中的Si的形成能,使得Mo容易掺杂进入氧化硅中.因此,在晶硅(100)面上沉积MoO_3薄膜时, MoO_3中的O原子先与Si成键,形成氧化硅层,随后部分Mo原子替位氧化硅中的Si原子,最终形成含有钼掺杂的非晶氧化硅层.     

具有氧空位Bi_xWO_6(1.81≤x≤2.01)的第一性原理计算和光催化性能研究

为了探索影响Bi_2WO_6光催化性能的内在机制,采用密度泛函理论(DFT)计算和实验研究了非化学计量和氧空位对Bi_2WO_6晶体结构、电子结构和显微结构的影响.采用溶剂热法合成了具有氧空位的非化学计量Bi_xWO_6(x=1.81,1.87,1.89,1.92,2.01)光催化剂.DFT计算结果表明,氧空位的存在可显著减小Bi_2WO_6的带隙,有利于光生电子的生成.实验结果表明,当Bi元素的含量小于化学计量比时,Bi_2WO_6的晶体结构发生了微小变形,Bi元素含量对Bi_2WO_6的显微结构影响不大,但会影响产品氧空位的含量和光吸收性能,并有效抑制电子空穴的复合.Bi_(1.89)WO_6产品的光催化性能最佳,可见光照射180 min后,可降解98%的罗丹明B.采用适当方法,使产品具有氧空位和非化学计量是获得高光催化活性材料的一种有效方法.     

氧空位缺陷对PbTiO_3铁电薄膜漏电流的调控

基于非平衡格林函数及密度泛函理论第一性原理计算方法,计算了Fe, Al, V和Cu四种阳离子掺杂对氧空位缺陷引起的PbTiO_3铁电薄膜漏电流的调控.研究表明:Fe和Al离子掺杂将会增大由其中氧空位缺陷导致的铁电薄膜的漏电流,而Cu和V离子掺杂对该漏电流的大小具有明显抑制作用.这是因为Cu和V掺杂对氧空位缺陷有明显的钉扎作用.相比于半径更大的Cu离子,由于V的离子半径更小,且更接近于PbTiO_3铁电薄膜中Ti的离子半径,可以预言V离子更可能被掺杂进入薄膜,从而抑制氧空位缺陷引起的漏电流.研究结果对铁电薄膜器件的电学性能控制和优化有一定的理论指导意义.     

氧空穴导致二氧化钒低温相带隙变窄

具有一定能量的光照导致低温绝缘二氧化钒(VO_2)发生绝缘体金属转变.本文通过密度泛函理论的Heyd-Scuseria-Ernzerhof杂化泛函方法对含氧空穴的低温绝缘VO_2非磁M1相进行第一性原理研究.研究发现,含氧空穴的M1的晶格参数几乎不变,但氧空穴附近的长的V—V键长却变短了.进一步研究发现,尽管纯的非磁M1的带隙是0.68 eV,但含O1和O2位的氧空穴非磁M1带隙分别为0.23 eV和0.20 eV,同时含有O1和O2位氧空穴非磁M1带隙为0.15 eV,这很好地解释了实验结果.