一階回轉曲線圖譜法及其在HfO2基鐵電薄膜極化翻轉行為研究中的應用*

石志鑫 周大雨? 李帥東 徐進 Uwe Schr?der

1) (大連理工大學材料科學與工程學院, 三束材料改性教育部重點實驗室, 大連 116024)

2) (大連東軟信息學院, 大連 116023)

3) (NaMLab研究所, 德累斯頓 01187)

1 引 言

1920年法國人Valasek發現了羅息鹽在外加電場下的極化翻轉行為[1], 自此開啟了鐵電體研究的歷史.鐵電體的本質特征是在特定溫度范圍內存在自發極化, 自發極化至少有兩個可能的取向, 且取向在外加電場的作用下可以改變[1].鐵電體的極化強度(P)與外電場(E)之間呈現非線性關系, 這種非線性關系被繪制成P-E電滯回線, 并且電滯回線通常被作為材料是否為鐵電體的判據[2].人們常借用電疇的概念來說明鐵電體的極化機制, 電疇發生翻轉和回轉時的電場分別表示為E和Er, 根據經典鐵電物理學定義: 矯頑場Ec=(E-Er)/2 ,表示電滯回線的寬窄, 反映材料內電疇自身翻轉的難易程度; 內偏場Ebias=(E+Er)/2 , 表示電滯回線沿電場軸的位移, 反映電疇翻轉受材料內缺陷電荷和界面狀態等非本征因素的影響程度.鐵電材料是重要的信息功能材料[3], 近年來相關的器件應用研究主要集中在非易失鐵電存儲器領域, 使用鈣鈦礦結構的鋯鈦酸鉛(PZT)薄膜材料制備的鐵電隨機存儲器(FeRAM)具有讀寫速度快、功耗低、抗輻射等優點, 已經實現工業化生產.但是PZT薄膜存在明顯的尺寸效應, 即需要較大的薄膜厚度才能維持鐵電性質; 同時該材料與CMOS集成電路工藝兼容性差, 目前的技術還難以在高深寬比的三維納米結構中實現薄膜的均勻……