Mn掺杂对多铁性BiFeO_3薄膜铁电性能以及漏电流的影响

本文利用脉冲激光沉积技术在(LaAlO3)0.3(Sr2AlTaO6)0.7(001)衬底上生长了BiFe1-xMnxO3(x=0～5%)外延薄膜,研究了Mn掺杂对BiFeO3(BFO)薄膜结构、铁电特性和漏电流的影响.XRD和SEM结果表明薄膜具有良好的结晶质量.漏电流测量显示Mn掺杂有效地减小了BFO薄膜的漏电流密度,因而在室温下5%Mn掺杂的BFO薄膜能够获得饱和的电滞回线.XPS分析证明,Mn掺杂改善BFO薄膜性能的可能原因在于其极大地减少了BFO薄膜中的Fe2+离子.     

铁电薄膜漏电流的应变调控

基于密度泛函理论的第一性原理并结合非平衡格林函数, 探讨了应变对 BaTiO₃ 铁电薄膜漏电流的影响规律.研究表明,压应变能有效地抑制BaTiO₃ 铁电薄膜漏电流, 特别是当压应变为4%时,其漏电流相对无应变状态降低了近10 倍.通过考察体系的透射系数和电子态密度发现: 一方面压应变状态下铁电隧道结的透射几率要比张应变时小,特别是在费米面附近;另一方面随着张应变过渡至压应变时,价带的位置逐渐向低能区移动而导带向高能区移动,导致了其带隙的增大, 从而有效抑制了漏电流. 本研究为寻找抑制铁电薄膜漏电流,提高铁电薄膜及铁电存储器的性能提供合适的方法. 关键词： 铁电薄膜 双轴应变 漏电流 第一性原理     

稀土发光铁电薄膜的研究进展

稀土掺杂是提高光电功能材料性能的重要途径.把稀土掺杂铁电材料与稀土发光相结合,还可拓展出铁电材料的新性能,比如,选择合适的稀土元素掺入钛酸铋铁电材料,可使之在保持较好的铁电性能的同时,又显示良好的发光性能.近年来,这类在氧化物铁电材料中由于稀土离子掺杂产生光致发光特性的研究引起了人们的关注,有望研制集成发光铁电器件.本文简要介绍了稀土发光铁电材料的研究状况,重点介绍我们在稀土发光铁电薄膜方向的研究进展.我们的研究表明,稀土掺杂钛酸铋铁电薄膜同时具有较好的发光特性和铁电特性,这与其独特的成分构成和层状钙钛矿结构密切相关; Eu3+离子荧光结构探针可以为进一步研究Eu~(3+)掺杂铁电薄膜材料的结构与性能关系提供新思路;在某些铁电薄膜(如Pr离子掺杂的x(K_(1/2)Bi_(1/2))TiO_3-(1-x)(Na_(1/2)Bi_(1/2))TiO_3薄膜等)中掺入稀土离子后,稀土离子的发光可用于检测铁电薄膜中是否存在准同型相界;将ZnO纳米材料和金、银纳米颗粒与掺铕钛酸铋薄膜复合,可显著增强稀土发光.     

锆钛酸铅薄膜的铁电疲劳微观机理及其耐疲劳性增强

铁电随机存储器(ferroelectric random access memory,FeRAM)因其卓越的数据存储性能与非易失性存储特性等优势而备受关注,但其自身固有的铁电疲劳失效问题制约了 FeRAM进一步的发展和商业化应用.FeRAM的疲劳失效与铁电薄膜的畴壁运动密切相关,但其内在疲劳机理仍有待深入研究.本文采用基于密度泛函理论(density functional theory,DFT)的第一性原理计算方法,研究了锆钛酸铅(Pb(Zr_(0.52)Ti_(0.48))O_3,PZT)的疲劳失效机理并提出了增强其耐疲劳性能的方法.计算结果表明:PZT中氧空位与180°畴壁运动的耦合是其铁电疲劳的内在原因,PZT铁电薄膜中越靠近畴壁的地方越容易形成氧空位,畴壁处大量氧空位对畴壁运动的"钉扎"作用使畴壁迁移困难,抑制了其极化反转最终导致了铁电疲劳;Ba(Mg_(1/)3Nb_(2/3))O_3 (BMN)缓冲层的存在可吸收PZT中的氧空位,降低畴壁处的氧空位浓度,提升其耐疲劳性能.实验结果表明,经过10~(10)次极化反转后,PZT铁电薄膜的剩余极化值降低了 51%,而PZT/BMN薄膜的剩余极化值仅降低了 18%;经过10~(12)次极化反转后,PZT/BMN薄膜的剩余极化值仍保持有82%并持续稳定.以上结果表明,BMN缓冲层引入确实能提高PZT铁电薄膜的耐疲劳性,有望满足FeRAM商业化应用的需求.     

HfO2基铁电薄膜的结构、性能调控及典型器件应用

大数据、物联网和人工智能的快速发展对存储芯片、逻辑芯片和其他电子元器件的性能提出了越来越高的要求.本文介绍了HfO₂基铁电薄膜的铁电性起源,通过掺杂元素改变晶体结构的对称性或引入适量的氧空位来降低相转变的能垒可以增强HfO₂基薄膜的铁电性,在衬底和电极之间引入应力、减小薄膜厚度、构建纳米层结构和降低退火温度等方法也可以稳定铁电相.与钙钛矿氧化物铁电薄膜相比, HfO₂基铁电薄膜具有与现有半导体工艺兼容性更强和在纳米级厚度下铁电性强等优点.铁电存储器件理论上可以达到闪存的存储密度,读写次数超过10¹⁰次,同时具有读写速度快、低操作电压和低功耗等优点.此外,还总结了HfO₂基薄膜在负电容晶体管、铁电隧道结、神经形态计算和反铁电储能等方面的主要研究成果.最后,讨论了HfO₂基铁电薄膜器件当前面临的挑战和未来的机遇.     

Si掺杂HfO_2薄膜的铁电和反铁电性质

通过改变Si掺杂量制备出了具有显著铁电和反铁电特征的HfO2纳米薄膜,对其电滞回线、电容-电压和漏电流-电压特性以及物相温度稳定性进行了对比研究.反铁电薄膜的介电系数大于铁电薄膜,在电场加载和减载过程中发生的可逆反铁电-铁电相变导致了双电滞回线的出现,在室温至185℃的测试温度范围内未出现反铁电→顺电相变.在电流-电压特性测量时观察到的负微分电阻效应归因于极化弛豫等慢响应机理的贡献.     

La,V共掺杂的Bi_4Ti_3O_(12)铁电薄膜的溶胶-凝胶法制备及性能测试

采用溶胶-凝胶(sol-gel)工艺在Pt/TiO2/SiO2/p-Si(100)衬底上制备出Bi4Ti3O12(BIT)和Bi3.25La0.75Ti2.97V0.03O12(BLTV)铁电薄膜,研究了La,V共掺杂对BIT薄膜的晶体结构和电学性能的影响.BIT薄膜为c轴择优取向,BLTV薄膜为随机取向,拉曼光谱分析表明V掺杂降低了TiO6(或VO6)八面体的对称性,也增强了Ti—O键(或V—O键)杂化.BLTV薄膜的剩余极化Pr为25.4μC/cm2,远大于BIT薄膜的9.2μC/cm2,表现出良好的铁电性能.疲劳、漏电流测试显示BLTV薄膜具有优良的抗疲劳特性和漏电流特性,表明La,V共掺杂能有效地降低薄膜中的氧空位.     

钛酸铋系中与铁电性能有关的缺陷及其弛豫研究的进展

本文概括的介绍了近年来我们利用内耗和介电的方法研究铋系铁电材料的一些结果.钛酸铋系铁电体作为一种无铅材料在铁电存储中有着重要的应用,通过对其内部与氧空位有关的力学和电学弛豫行为的测量,并进一步通过对氧空位弛豫及关联行为的研究,揭示了钛酸铋系铁电材料中掺杂、微结构以及铁电性能之间内在的联系.这些结果从微观的角度阐述了影响铁电体剩余极化与铁电疲劳的因素,对于指导并优化现有铁电体的铁电性能有着重要的意义.此外,还报道了对铁电畴、相变等的研究结果,表明力学与介电方法是研究铁电性能及澄清机理的有效手段.     

氧空位对钴掺杂氧化锌半导体磁性能的影响

从实验和理论上阐述了氧空位对Co掺杂ZnO半导体磁性能的影响.采用磁控溅射法在不同的氧分压下制备了Zn_095Co_005O薄膜,研究了氧分压对薄膜磁性能的影响.实验结果表明,高真空条件下制备的Zn_095Co_005O薄膜具有室温铁磁性,提高氧分压后制备的薄膜铁磁性逐渐消失.第一性原理计算表明,在Co掺杂ZnO体系中引入氧空位有利于降低铁磁态的能量,铁磁态的稳定性与氧空位和Co之间的距离密切相关. 关键词： Co掺杂ZnO 稀磁半导体 第一性原理计算 氧空位缺陷     

钛酸铋系中与铁电性能有关的缺陷及其弛豫研究的进展

本文概括的介绍了近年来我们利用内耗和介电的方法研究铋系铁电材料的一些结果。钛酸铋系铁电体作为一种无铅材料在铁电存储中有着重要的应用，通过对其内部与氧空位有关的力学和电学弛豫行为的测量，并进一步通过对氧空位弛豫及关联行为的研究，揭示了钛酸铋系铁电材料中掺杂、微结构以及铁电性能之间内在的联系。这些结果从微观的角度阐述了影响铁电体剩余极化与铁电疲劳的因素，对于指导并优化现有铁电体的铁电性能有着重要的意义。此外，还报道了对铁电畴、相变等的研究结果，表明力学与介电方法是研究铁电性能及澄清机理的有效手段。     

Defects in room-temperature ferromagnetic Cu-doped ZnO films probed by x-ray absorption spectroscopy

We report a comprehensive study of the defects in room-temperature ferromagnetic (RTFM) Cu-doped ZnO thin films using x-ray absorption spectroscopy. The films are doped with 2 at.% Cu, and are prepared by reactive magnetron sputtering (RMS) and pulsed laser deposition (PLD), respectively. The results reveal unambiguously that atomic point defects exist in these RTFM thin films. The valence states of the Cu ions in both films are 2(+). In the film prepared by PLD, the oxygen vacancies (V(O)) form around both Zn ions and Cu ions in the hexagonal wurtzite structure. Upon annealing of the film in O(2), the V(O) population reduces and so does the RTFM. In the film prepared by RMS, the V(O)s around Cu ions are not detected, and the V(O) population around Zn ions is also smaller than in the PLD-prepared film. However, zinc vacancies (V(Zn)) are evidenced. Given the low doping level of spin-carrying Cu ions, these results provide strong support for defect-mediated ferromagnetism in Cu-doped ZnO thin films.     

电荷俘获存储器数据保持特性第一性原理研究

本文研究HfO₂掺入Al替位Hf杂质和氧空位共同掺杂对电荷俘获型存储器存储特性的影响. HfO₂作为高介电常数材料由于具有缩小器件尺寸、提高器件性能等优势, 被广泛用于CTM的俘获层. 采用MS和VASP研究了HfO₂俘获层中掺入Al对氧空位形成能的影响. 同时计算了两种缺陷在不同距离下的相互作用能. 计算结果表明在HfO₂中掺入Al使得氧空位的形成能降低, 并且三配位氧空位的形成能比四配位氧空位的形成能降低的更多. 通过研究Al和三配位氧空位两种缺陷间不同距离的三种情况, 计算结果表明当缺陷间距为2.107 Å时, 体系的电荷俘获能最大; 量子态数最多; 布居数最小、Al–O键最长. 通过研究三种体系写入空穴后键长的变化, 得出当缺陷间距为2.107 Å时, 写入空穴后体系的Al–O键长变化最小. 以上研究结果表明, 掺入Al后可以有效提高电荷俘获型存储器的数据保持能力. 因而本文的研究为改善电荷俘获型存储器数据保持特性提供一定的理论指导.     

Bi1-xLaxFeO3±δ薄膜的快速制备及铁电性

样品的制备是对影响样品质量的各个工艺参数进行优化的过程. 传统的试错法是对各个参数逐个进行尝试, 需要的周期较长. 与传统的单参数尝试法相比, 高通量样品制备方法可以对参数实现并行筛选, 因而极大地缩短了优化工艺所需的时间. 本工作借助高通量制备方法成功实现系列镧掺杂BiFeO₃薄膜的快速优化, 包括对烧结温度、镧元素含量和高温固态反应气氛等关键工艺参数的快速筛选, 同时分析了不同生长条件下样品的结构并测试了其铁电性. 实验结果表明: 1) 560 ℃ 烧结可得到单相薄膜; 2)测量不同La含量样品的铁电性, 发现当E=75 kV/cm时, La=15%的样品剩余极化值(2Pr)最大, 约为26.7 μC/cm²; 3) 在纯氧气氛下烧结有助于得到结晶性更好的单相Bi_0.75La_0.25FeO_3±δ 薄膜, 并且能够提高薄膜的铁电性.     

High pyroelectric Ba0.65Sr0.35TiO3 thin films with Ba0.65Sr0.35RuO3 seeding-layer for monolithic ferroelectric bolometer

Ba_0.65Sr_0.35TiO₃ (BST) thin films were deposited by RF sputtering with a very thin Ba_0.65Sr_0.35RuO₃ (BSR) seeding-layer on Pt/Ti/SiO₂/Si substrate. The crystallization of BST thin films and the surface morphology of BSR seeding-layer were characterized by X-ray diffraction (XRD) and atomic force microscopy (AFM), respectively. XRD patterns show that the BSR seeding-layer affected the orientation of BST thin film, which is highly a-axis textured. It was also found that the BSR seeding-layer had a marked influence on the dielectric properties of BST thin films. Comparing with BST thin films directly deposited on Pt electrode, the dielectric relaxation can be suppressed and dielectric constant increased due to a possible reduction of interface oxygen vacancies at BST/BSR interface. Moreover, J–V measurement indicates that the leakage current density of BST thin films on BSR seeding-layer were greatly reduced compared with that of BST thin films directly on Pt electrodes. The pyroelectric coefficient of BST thin films with BSR seeding-layer is 7.57 × 10⁻⁷ C cm⁻² K⁻¹ at 6 V/μm at room temperature (RT). Our results reveal that high pyroelectric property of BST thin film could be achievable using BSR seeding-layer as a special buffer.     

VO2薄膜表面氧缺陷的修复:F4TCNQ分子吸附反应

VO₂表面氧缺陷的存在对VO₂材料具有显著的电子掺杂效应, 极大地影响材料的本征电子结构和相变性质. 通过2, 3, 5, 6-四氟-7, 7', 8, 8'-四氰二甲基对苯醌(F₄TCNQ)分子表面吸附反应, 可以有效消除表面氧缺陷及其电子掺杂效应. 利用同步辐射光电子能谱和X射线吸收谱原位研究了修复过程中电子结构的变化以及界面的化学反应, 发现这种方式使得VO₂薄膜样品氩刻后得到的V³⁺失去电子成功地被氧化成原先的V⁴⁺, 同时F₄TCNQ分子吸附引起电子由衬底向分子层转移, 界面形成带负电荷的分子离子物种. 受电化学性质的制约, F₄TCNQ分子吸附反应修复氧缺陷较氧气氛退火更安全有效, 不会引起表面过度氧化形成V₂O₅.     

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.     

氧分压对Ni/HfO_x/TiN阻变存储单元阻变特性的影响

采用射频磁控溅射的方法,基于不同氧分压制备的氧化铪构建了Ni/HfO_x/TiN结构阻变存储单元.研究发现,随着氧分压的增加,薄膜表面粗糙度略有降低;另一方面,阻变单元功耗降低,循环耐受性能可达10~3次,且转变电压分布的一致性得到改善.结合电流-电压曲线线性拟合结果及外加温度测试探究了器件的转变机理,得出在低阻态的传导机理为欧姆传导机理,在高阻态的传导机理为肖特基发射机理,并根据氧空位导电细丝理论,对高低阻态的阻变机理进行了详细的理论分析.     

高压退火对0.65PMN-0.35PT薄膜结构、形貌及电学性能的影响

利用射频磁控溅射技术在LaNiO₃/SiO₂/Si(100)基底上制备了厚 度约为250 nm的0.65PMN-0.35PT(PMN-PT)薄膜. 研究高压氧氛围退火方式对PMN-PT薄膜晶体结构、形貌以及电学性能的影响. 经过XRD测试发现,在高压氧气氛围中, 温度为400℃下退火后的PMN-PT薄膜具有纯的钙钛矿相结构, 具有完全的(100)择优取向, 且衍射峰尖锐, 表明经过高压退火后的薄膜结晶极为充分. SEM表面形貌测试结果显示, 经高压退火处理的PMN-PT薄膜表面呈现出棒状或泡状的形貌. 铁电性能测试表明: 氧气氛围压强4 MPa, 退火时间4h的PMN-PT薄膜样品具有较好的铁电性能, 其剩余极化强度P_r达到10.544 μC/cm², 且电滞回线形状较好, 但漏电流较大, 这可能是由于其微结构所导致.同时介电测试发现: PMN-PT薄膜样品具有极好的介电性能, 其在1 kHz下测试的介电常数ε_r达到913, 介电损耗tgδ 较小, 仅为0.065. 关键词： 射频磁控溅射 高压退火 0.65PMN-0.35PT 介电     

退火温度对新型有源层WZTO薄膜晶体管性能的影响

通过溶液法制备了新型有源层钨锌锡氧化物(WZTO)薄膜晶体管(TFT),研究了不同退火温度对WZTO薄膜和TFT器件性能的影响。XRD结果表明即使退火温度达到500℃,WZTO薄膜仍为非晶态结构。W掺杂显著降低了薄膜表面粗糙度,其粗糙度均从0. 9 nm降低到0. 5 nm以下;但不影响薄膜可见光透过率,其透过率均大于85%。同时XPS分析证实随退火温度升高,WZTO薄膜中对应氧空位的峰增加。制备的WZTO器件阈值电压由8. 04 V降至3. 48 V,载流子迁移率随着退火温度的升高而增大,开关电流比达到107。     

单靶溅射制备铜锌锡硫薄膜及原位退火研究

采用衬底加热溅射铜锌锡硫(CZTS)四元化合物单靶制备CZTS薄膜,并研究原位退火对制备薄膜的影响.结果表明:在溅射结束后快速升温并保持一段时间,所得到的样品相比于未原位退火的CZTS薄膜结晶质量更好,且表面更平整致密;原位退火后的CZTS薄膜太阳电池性能参数也相应地有所提升,其开路电压(V_(OC))为575 mV,短路电流密度(J_(SC))为8.32 mA/cm~2,光电转换效率达到1.82%.