基于原子力显微镜的铁电隧道结局域热效应研究

铁电隧道结是利用超薄铁电膜做为势垒层的一种隧道结，具有诸多优异的存储特性。但是，隧道结电流对超薄势垒层存在焦耳热作用，使得局域热效应对铁电隧道结的输运特性、保持特性、疲劳特性产生重要的影响。而且，局域焦尔热还可能与铁电极化相互作用，催生出新现象和新效应。因此，本项目基于原子力显微镜技术，以"探针-铁电-电极"结构的铁电隧道结为主要研究对象，研究可以对微区输运特性、极化分布和局域焦耳热进行原位检测的原子力显微镜表征方法，为铁电隧道结的研究提供新的分析方法和手段。同时，通过对铁电隧道结局域热效应的有限元模拟分析，结合局域热效应的实验检测结果，揭示局域热效应影响隧道结输运、极化、电致阻变等物理性质的规律，实现对铁电隧道结局域热效应的调控和利用。这对深入认识铁电隧道结的物理性质，探索铁电隧道结的新现象和新效应具有重要的科学意义。

铁电隧道结是利用超薄铁电膜做为势垒层的一种隧道结，具有诸多优异的存储特性。但是，隧道结电流对超薄势垒层存在局域加热作用，使得局域热效应有可能对铁电隧道结的物理性质产生重要的影响。本项目基于原子力显微镜成像技术和有限元分析方法，分别从实验和模拟计算两个方面研究了铁电隧道结的输运性质和局域热效应进行了系统研究。理论方面，通过建立铁电隧道结的局域热效应的近似模型，采有限元数值模拟方法求解稳态和瞬态热流方程，获得隧道结温度变化大小、升温速率等特性与材料参数（如热导率、界面热阻）、隧道结几何构形、隧道电流密度等因素之间的联系。实验方面，基于扫描探针显微镜，通过结合电流模式成像和压电模式成像，建立了可以表征铁电隧道结微区输运、极化分布和局域焦尔热效应的原位同步分析方法。结合理论分析和实验分析结果，揭示了铁电隧道结电导在纳米尺度上的空间非均匀分布于厚度变化、极化强弱、局域热点以及缺陷之间的关系，为进一步研究和掌握纳米尺度局域热效应的物理机制奠定了基础。