Si基无氧铁电薄膜及其异质结的结构、缺陷与铁电特性研究

铁电场效应管（FeFET）具有结构简单、读写速度快、写操作耐久性高、功耗低等优点。采用高介电绝缘层置于氧化物铁电膜和Si之间，虽可阻碍他们之间元素的扩散，却降低了器件的数据保持性能。为了克服该弊端，本课题拟采用II-VI族无氧铁电AxCd1-xS (A=Zn,Mn)薄膜替代高介电绝缘层来制备FeFET，因为AxCd1-xS 与Si基底之间有很好的稳定性。本课题将优化AxCd1-xS薄膜制备过程中的工艺参数，在Si基底上制备出高质量的无氧铁电薄膜和AxCd1-xS/SrBi2Ta2O9异质结，精细测定AxCd1-xS块体和薄膜的晶体结构，研究AxCd1-xS的晶体结构的变化对其铁电性能的影响规律；用正电子湮灭等方法研究AxCd1-xS中铁电性能受缺陷影响的机制；阐述II－VI族无氧铁电薄膜的铁电性能变化的控制规律和机理。最终获得适用于FeFET器件的高性能的AxCd1-xS薄膜及其异质结。

我们首先探索了不同的上下电极对铁电薄膜电学性能的影响，以研究制备过程的工艺参数对铁电薄膜的结构与铁电性能的影响。研究发现不同的上下电极在与铁电薄膜接触面将产生不同的接触势垒，进而导致铁电薄膜电学性能的非对称性。再次，我们用快速烧结法制备出了多铁BiFeO3（BFO）基材料，并在其中观察到明显的可翻转二极管导电特性，其中La-BFO材料在不同的外加电场下，表现出明显的可翻转二极管导电特性和铁电电致电阻的效应。同时在钴掺杂的La-BFO多晶样品中也观察到了此类可翻转的二极管效应，且随着环境温度的升高（80oC）,此类可翻转二极管导电特性变化为阈开关（Threshold Switching）特性。进而，我们发现特定的元素（Ba掺杂、Ba和Co共掺杂、La和Mg共掺杂等）掺杂可以有效地调控BiFeO3材料体系的带隙和导电性质，并在特定的掺杂浓度下发现了新奇的可翻转二极管导电特性和阈开关效应。在Ru2O3掺杂的BFO基铁电材料中发现，适量的Ru的掺杂能够有效的引起BFO基材料中的结构相变，使其从原有的R3c结构转化到立方结构；同时Ru掺杂也引起了电学性能的明显转变，即随着Ru掺杂量的增加，材料的介电常数明显增加。另外，在LuFeO3 与LaBiFeO3的复合体系中，观察到了磁滞回线在水平及竖直方向的偏移即交换偏置现象，针对这一现象，我们提出了两个canted-AFM相的界面处发生的相互作用的模型加以解释。此外，我们采用溶胶-凝胶法制备了多铁BiFeO3材料的纳米粉前驱体，用不同的退火温度和烧结成相温度制备了不同粒径的纳米粉体。研究发现Nd掺杂的BiFeO3纳米颗粒在不同的退火温度下表现出了截然不同的磁性随掺杂量的变化关系；通过TEM及XPS分析，得出导致该现象产生是尺寸效应与Fe2+：Fe3+比例变化共同作用的结果。上述研究结果将为设计和开发新型高密度铁电电阻存储器提供材料和物理基础。