（凝聚态物理专业论文）钙钛矿铁电薄膜的制备及其表面微区电学性质研究.pdf

摘要 摘要 铁电存储器具有非易失、抗辐射、抗干扰等优异的存储特性，被认为是最具 有吸引力的存储器件之一。基于扫描探针力显微镜的铁电薄膜存储有可能实现接 近分子水平的存储密度、皮秒级的反转速度，因而有望成为新一代超高密度的数 据存储模式。电场作用下铁电畴的取向是整个铁电存储的核心。目前研究的重点 集中在单晶膜、外延( 或取向) 生长的薄膜的畴取向研究方面。多晶铁电薄膜由 于其复杂的晶体取向和颗粒边界的存在将呈现出更加复杂的铁电畴反转特性。事 实上，在用探针构筑畴反转的过程中，不仅仅诱导畴取向的改变，还将导致其表 面其他电学特性的变化，这些电学特性的变化有可能影响畴的取向。基于此本论 文的工作重点将集中在用探针构筑畴反转过程中，钙钛矿铁电多晶薄膜表面的电 学性质研究方面。 在第一章中，我们简单介绍了铁电存储的基本原理和存在的问题；概述了铁 电存储的研究现状及其存在的问题；提出了本论文的研究目的和主要研究内容。 在第二章中，我们首先通过化学溶液法成功制备了本论文研究中所用的 l a n i 0 3 底电极薄膜，利用x r d 和d f m 分别对其进行了晶体结构和表面形貌表征。 在用探针构筑高密度数据点阵的过程中，往往伴随着注入电荷的点阵的形成， 注入电荷的存在必将影响畴的取向，进而影响铁电薄膜的存储功能。在第三、四 章，我们用k f m 对写极化的过程中注入b a t i 0 3 薄膜的表面电荷进行了详细的研 究。结果显示，在小的极化电场的作用下，薄膜表面为极化电荷的信息，随着极 化电场的增强，自由电荷逐渐被注入铁电薄膜的表面并屏蔽掉极化电荷，且注入 电荷的面密度随极化电场的增强而增大。由于底电极l a n i 0 3 和铁电薄膜b a t i 0 3 之间自建电场的存在，在正、负极化电压作用下，注入电荷面密度呈现不对称分 布。在相同的书写电压下，随探针的书写速度的减慢，注入电荷的面密度快速地 增加，注入电荷的面积逐渐增大，没有观察到注入电荷饱和的现象。注入电荷的 保持行为研究显示，注入电荷随着时间的推移快速地减少，当减少到一定程度时， 河南大学博十学位论文 减小的趋势明显趋缓；通过接地的方式可以中和部分注入电荷；通过施加反向极 化电场的方式可以擦除注入电荷。不同k f m 扫描方向的研究显示，在k f m 成像 的过程中，注入电荷在探针和薄膜间产生的电场可以导致注入电荷沿探针运动的 方向发生漂移或扩散。 在第四章，用脉冲电压在b a t i 0 3 薄膜上构筑了九个点的点阵，在探针移动的 轨迹上，我们发现了一种与点阵中的注入电荷异号的异常带电现象。研究显示， 在探针路径一定的情况下，这种异常电荷依赖于点阵中注入电荷的面密度；在点 阵中注入电荷一定的情况下，这种异常电荷依赖于探针极化的路径。我们认为这 种与路径有关的异常电荷是点阵中的注入电荷集体作用的结果：在探针写极化的 过程中，点阵中的所有注入电荷在探针与薄膜间产生了与外加脉冲电场反平行排 列的电场，当这个电场大于某一值时将会导致异号电荷的注入。理论计算的结果 证明了我们以上关于异常电荷产生机制的正确性。点阵中的注入电荷的集体效应 不仅可以导致异常电荷的产生，还可能引起畴的反转，造成信息的存储错误，因 此，写极化过程中注入铁电薄膜的电荷必须给以足够的重视。我们可以通过设计 合理的探针路径等手段来减小注入电荷的集体效应，增加存储器的存储密度。 在第五章，用s 0 1 g e l 法制备了z r ：t i 分别为0 ：1 0 0 ，1 0 ：9 0 和2 5 ：7 5 的p z t 薄膜。结 果显示，这些薄膜均为具有四方相钙钛矿结构的多晶颗粒膜，没有明显的生长方 向。随着z 晗量的增加，组成薄膜的颗粒尺寸逐渐减小，且畴的结构也逐渐地由 复杂的多畴结构转变为单畴结构。具有复杂多畴结构的p b t i 0 3 薄膜的p f m 研究显 示，在p f m 测试过程中，增加测试交流电的振幅可以提高对铁电畴结构的分辨率， 但同时也会导致铁电畴的反转。这种测试交流电导致的畴的反转实验显示，p b t i 0 3 多晶薄膜具有“s 或p s 以下的极化反转速度；在极化反转过程中铁电畴遵循向前生长 机制；存在一个方向向下的铁电畴优先取向。 在电场诱导的具有复杂多畴结构p b t i 0 3 薄膜极化反转的研究中，我们观察到 某些颗粒呈现与极化电场反平行的异常极化反转现象。极化反转与p f m 测量同时 进行的实验研究表明，这种反平行的异常极化反转是在写极化的过程中形成的， i i 摘要 不同于注入电荷的电场或退极化效应引起的畴的反平行反转。脉冲实验显示，这种 异常极化反转与周围颗粒的畴的取向无关，是由颗粒自身的特性决定的，因而比 以前报道的由外部因素引起的异常极化反转更加具有普遍性。我们认为，在电场 诱导颗粒反转的过程中在颗粒内部产生的瞬态应力导致了这种反平行的异常反转 的发生。 p z t 薄膜的易疲劳和毒性促使人们研发新的铁电薄膜存储材料。b i f e 0 3 薄膜是 一种有前途的铁电存储材料。在第六章，我们用简单的s 0 1 g e l 法制备- j b i f e 0 3 薄膜， x r d 和r a m a n 钡w j 试结果显示该薄膜具有不同于体相的晶体结构；x p s 的研究显示， 3 层b i f e 0 3 薄膜中f e 元素以f e 3 + 的形式存在，随着层数的增加，f e 3 + 转变为f e 2 + ；p f m 的研究结果显示，b i f e 0 3 薄膜具有好的铁电性，大部分颗粒以单畴态的形式存在， 可以用于铁电存储。 在第七章，对钙钛矿铁电薄膜表面的微区电学特性研究进行了总结，指出了 本论文的创新点以及存在的不足，对以后的工作进行了展望。 关键词：铁电薄膜，注入电荷，极化反转，s p m i i i a b s t r a e t 一一一_ 一 a b s t r a c t h i g h d e n s i t y m e m o r i e sb a s e do nm o d i f y i n g t h ef e r r o e l e c t r i cd o m a i n sa r e c o n s i d e r e d 嬲p r o m i s i n gm e m o r i e s i nt h ef u t u r eb e c a u s eo ft h e i rn o n v o l a t i l e ， a n t i i r r a d i a t i o na n da n t i i n t e r f e r e n c e f e a t u r e s t h ef e r r o e l e c t r i cs t o r a g eb a s e do n s c a n n i n gp r o b ef o r c em i c r o s c o p e ( s p m ) t e c h n i q u e h a sb e e nw i d e l yi n v e s t i g a t e dd u et o i t sn e a rt om o l e c u l a rl e v e ld a t ad e n s i t ya n dt h es u b n a n o s e c o n dd o m a i ns w i t c h i n gs p e e d , a n di sc o n s i d e r e d 舔ap r o m i s i n gm o d e lf o rt h en e x tu l t r a - h i g hd e n s i t ym e m o r i e s i n f e r r o e l e c t r i cm e m o r i e s ，t h el o g i cv a l u eo fab i ti sr e p r e s e n t e db yt h ep o l a r i z a t i o ns t a t e s o ff e r r o e l e c t r i cd o m a i n s s o ，t h ed o m a i np a t t e m sa n dt h ep o l a r i z a t i o nr e v e r s a lp r o p e r t i e s p l a ya ni m p o r t a n tr o l ei n t h ep e r f o r m a n c eo ff e r r o e l e c t r i cm e m o r i e s u pt on o w ，t h e d o m a i np o l a r i z a t i o nr e v e r s a lh a sb e e nd e e p l yi n v e s t i g a t e db a s e do ns p m a n dt h em o s t r e s e a r c h e sm a i n l yf o c u so ns i n g l e c r y s t a lf i l m sa n dt h ee p i t a x i a lg r o w t h ( o rp r e f e r r e d o r i e n t a t i o n ) t h i nf i l m s p o l y c r y s t a lf e r r o e l e c t r i ct h i n f i l m sp r o s s e s sm o r ei n t e r e s t i n g c h a r a c t e r i s t i c so fp o l a r i z a t i o nr e v e r s a ld u et ot h e i rc o m p l e xc r y s t a l l i t eo r i e n t a t i o n sa n d g r a i nb o u n d a r i e s d u r i n gt h ed o m a i np o l a r i z a t i o nr e v e r s a li n d u c e db yt h et i p ，t h ep o l i n g b i a sc a na l s ol e a dt ot h ec h a n g eo fo t h e rs u r f a c en a n o s c a l ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e so f f e r r o e l e c t r i ct h i nf i l m sw h i c h ，i nr e t u r n ，m a yd i s t u r bt h ed o m a i np o l a r i z a t i o n i nt h i s p a p e r , w ef o c u so i lt h es u r f a c en a n o s c a l ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e so f p e r o v s k i t ef e r r o e l e c t r i c p o l y c r y s t a lt h i nf i l md u r i n gt h ed o m a i np o l a r i z a t i o nr e v e r s a li n d u c e db y t h et i p i nt h ec h a p t e r1 ，w eb r i e f l yd e s c r i b et h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h e f e r r o e l e c t r i c m e m o r i e sa n dr e v i e wt h ep r e s e n ts t a t e s w ef i n do u tt h ep r o b l e m si n f e r r o e l e c t r i c m e m o r i e s t h e r e f o r ew eg e tt h er e s e a r c ho b j e c t i v e sa n dt h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t si n o u rf u t u r ew o r k s i nt h e c h a p t e r2 ，t h el a n i 0 3t h i nf i l m sw e r es y n t h e s i z e db yas i m p l ec h e m i c a l s o l u t i o nc o a t i n gp r o c e s s ，w h i c hw e r eu s e d 雏t h eb o t t o me l e c t r o d ei no u rp a p e r t h e c r y s t a ls t r u c t u r ea n d t h es u r f a c ei m a g ew e r ei n v e s t i g a t e db yx r d a n dd f m d u r i n gp o l i n gah i g h d e n s i t ya r r a yb yt h et i p ，t h ec o r r e s p o n d i n gi n j e c t e d 。c h a r g e a r r a yc a nb ec r e a t e dw h i c h ，i nr e t u r n ，m u s ta f f e c t t h ed o m a i np o l a r i z a t i o n i nt h e c h a p t e r s3 锄d4 ，w ei n v e s t i g a t et h es u r f a c ec h a r g i n gc h a r a c t e r i s t i c so fb a t i 0 3 t h i nf i l m v 河南大学博士学位论文 b yk e l v i np r o b ef o r c em i c r o s c o p y ( k f m ) a f t e rp o l e db yd c a f t e rp o l e db ys m a l ld c ， t h ep o l a r i z a t i o nc h a r g e sa r eo b s e r v e do nt h es u r f a c e w i t ht h ei n c r e a s eo fp o l i n gb i a s ， t h ef l e ec h a r g e sa r eg r a d u a l l yi n j e c t e da n ds h i e l dt h ep o l a r i z a t i o nc h a r g e s t h ei n - b u i l t e l e c t r i cf i e l db e t w e e nt h eb o t t o me l e c t r o d el a n i 0 3a n db a t i 0 3l e a d st ot h ei n j e c t e d c h a r g ea s y m m e t r yu n d e rt h eo p p o s i t ep o l i n gb i a s t h ei n j e c t e dc h a r g ed e p e n d e n c eo n p o l i n gs c a n n i n gs p e e dd e m o n s t r a t e st h a tt h ei n j e c t e dc h a r g e sw i l li n c r e a s er a p i d l ya n d t h ec h a r g i n ga r e aw i l lb e c o m el a r g e rw i t hd e c r e a s i n gt h es c a n n i n gs p e e d w i t ht h e e l a p s eo ft i m e ，t h ei n j e c t e dc h a r g e sw i l ld e c r e a s er a p i d l y , b u tt h et r e n db e c a m ew e a k e r t h ei n j e c t e d c h a r g e s c a nb en e u t r a l i z e d p a r t l yb yt h eg r o u n d e dt i pa n de r a s e d c o m p l e t e l yb yt h eo p p o s i t ep o l i n gb i a s d u r i n gt h ek f mi m a g i n g ，t h ee l e c t r i cf i e l d b e t w e e nt h ef i l ma n dt h et i pi n d u c e db yt h ei n j e c t e dc h a r g e sc a nm a k et h ei n j e c t e d c h a r g e sd r i f to rd i f f u s ew i t ht h et i pm o v i n g i nt h ec h a p t e r4 ，an i n e - d o ta r r a yw a sc o n s t r u c t e db ys p m a n o m a l o u sc h a r g e sa r e o b s e r v e di nt h em o v i n gp a t h so ft h es p mt i p t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ea n o m a l o u s c h a r g e sa r ed e p e n d e n to nt h em o v i n gp a t h so ft h et i pa tt h ec o n s t a n ti n j e c t e dc h a r g e s ， a n di ft h ep a t ho ft h et i pi sf i x e d ，t h e s ea n o m a l o u sc h a r g e sa r er e l a t e dt ot h ei n j e c t e d c h a r g e s t h e ye x h i b i tp a t h r e l a t e db e h a v i o r w es u g g e s t t h a tt h e s ep a t h r e l a t e d a n o m a l o u sc h a r g e sa r ei n d u c e db yt h ec o l l e c t i v ee f f e c t so ft h ei n j e c t i o nc h a r g e si nt h e a r r a y t h ei n j e c t e dc h a r g e si nt h e s ed o t sp r o d u c ea na n t i - p a r a l l e le l e c t r i cf i e l db e t w e e n t h ef i l ma n dt h et i pd u r i n gt h et i p m o v i n gt on e x td o t ，w h i c hl e a d st ot h eo p p o s i t e p o l a r i t yc h a r g e si n j e c t e d t h ep a t h - 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p 撇l l e lp 0 1 吨r e v e r s a lp h e n o m e n o nw a so b s e r v e di nc e r t a i n g r a i n sw i 廿1 c o m p l e xm u n l q o m a i np a t t e r ni np o l y c r y s t a l l i n et e t r a g o n a lp b t i 0 3 f i l md m 佃gp o l i n gb y p f m 而eo b s e e de f f e c t i sa ni n t r i n s i c c h a r a c t e r i s t i co fg r a i n sw i t h c o m p l e x m u l t i d o m a i n p a t t e r n ，t h u s ， i sam o r ec o m m o np o l i n g r e v e r s a l p h e n o m e n o nt h a n p r e v l o u sr e p o n e db ye x t e r n a lf a c t o r w es u g g e s tt h a tt h eo b s e r v e d a n t i - p a r a l l e ld o r a a i n s w l t c n m gl sp r i n c i p a l l yc a u s e db yt h et r a n s i e n ti n t e r n a ls t r e s si n s i d et h eg r a i n sc r e a t e d b yt n ec o m p l e xd o m a i nw a l lm o v i n gd u r i n gf i e l d i n d u c e dp 0 i a r i z a t i o ns w i t c h i n g 1n ee 删f a t l g u ea n dt o x i c i t yo fp z t t h i nf i l md r i v es c i e n t i f i cw o r k e rt od e v e l o p n e wf e m e l e c t r i cs t o r a g em a t e r i a l s b i f e 0 3t h i nf i l m sa l e c o n s i d e r e da s 廿1 ep r o m i s i l l g f e 册e j e c t r i c 8 t o r a g em a t e r i a l s i nc h a p t e r6 ，b i f e 0 3t h i nf i l m sw e r es y n t h e s i z e db va s i m p l es o l - g e jc o a t i n gp r o c e s s t h er e s u l t so fx r d a n dr a m a ns h o wt l l a tt h ec r y s t a i s t m c t u 陀o fb i f e 0 3t h i nf i l m si sd i f f e r e n tw i t ht h eb u l kb i f e 0 3 t h er e s u i t s o fx p s s h o wt h a tt h ef ee l e m e n ti ni sp r e s e n ti nf d + f o r m a n dc h a n g e sg r a d u a l l yi nv d + f o r m w i t ht h el n c r e a s i n go f l a y e rn u m b e r t h er e s u l t so fp f ma n dk f m s h o wt l l a tt h e3 - l a y e r t h i nf l l m sh a v eg o o df e r r o e l e c t r i cp r o p e r t i e sa n dc a l lb eu s e di n f e r r o e l e c t r i cm e m o m o s to ft h eg r a i n so f a s p r e p a r e db i f e 0 3t h i nf i l m ss h o wt h es i n 9 1 e d 锄a i np a 钍e m i nt h ec h a p t e r7 ，w em a k eac o n c l u s i o no f t h er e s e a r c h e si nt h i sp a p e r ，p o i n t0 u t t 1 1 e 0 n g i n a l i t ya n ds o m e t h i n gt ob ed e s i r e d w ee x p e c tt h ef u t u r e i n v e s t i g a t i o n s0 nt h e s u r t a c en a n o s c a l ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e so f p e r o v s k i t e 砌佝e i e c 们c 廿1 i nf i l m k e yw 。r d s ：f e 肋e l e c t r i ct h i nf i l m s ，i n j e c t e dc h a r g e s ，p 。l a r i z a t i o n s w i t c h i n g ，s p m l 关于学位论文独立完成和内容创新的声明 本人向河南大学提出博士学住中请。本人郑重声明：所呈交的学位论文是 本人在导师的指导下独立完成的，对所研究的课题有创造性的见解。据我所知， 除文中特别加以说明、标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已经发表或 撰写过的研究成粟，也不包括其他人为获得任何教育、科研机构的学住或证书 而使用过的材料。与我一同工作的甩事对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 、1o 学位中请入( 学位论文作者了签名：蛩窆 公 硼( o 年斗月9 目 关于学位论文著作权使用授权书 本人经河南大学审核批准授子博士学位。作为学位论文的作者，本人完金 了解并同意河南大学有关保留、使用学住论文的要求，即河南大学有权向国家 图书馆、科研信息机构、数据收集机构和本校图书馆等提供学位论文( 纸质文 本和电子文本) 以供公焱检索、查阅。本人授权河南大学出于宣扬、展览学校 学术发展和进行学术交流等目的，可瞄采取影印、缩印、扫描和拷贝等复制手 段保存、汇编学位论文( 纸质文本和电子文本) 。 ( 涉及保密内容的学住论文在解密后适用本授权书) 学位获得者( 学住论文作者) 釜名： 叠艮叠 2 0i o 年6 月i 譬日 、 学位论文指导教师釜名：垄丛磁， 2 0 io 年6 月l 号目 第一章绪论 第一章绪论 1 1 铁电体简介 铁电体是这样的晶体：在一定的温度范围内存在自发极化，且自发极化有两 个或多个可能的取向，在电场的作用下，其取向可以改变。 铁电体在整体上呈现自发极化，这意味着在其正、负两端分别有一层正的和 负的束缚电荷，束缚电荷产生的电场将导致静电能的升高。在受机械约束时，伴 随着自发极化的应变还将使应变能增加。所以，均匀极化的状态是不稳定的，晶 体将分成若干个小区域，每个小区域内部电偶极子沿同一方向排列，但不同的小 区域中电偶极子方向不同。这些小区域称为电畴或畴( d o m a i n ) 。总自由能取极小值 的条件决定了电畴的稳定构型。在外部电场的作用下，这些不同取向的畴将沿电 场的方向重新排列，从而导致极化状态的改变。铁电体的极化强度随电场的变化 规律如图1 1 所示。 p 4 7 - k ， 砂 图1 1 铁电体的电滞回线1 】 由图1 1 可以看出，随着电场的增强，极化逐渐增强并趋于饱和。当撤去外 加电场，铁电体仍保留在宏观极化状态，这时的极化称为剩余极化尸，。如果电场 反向，极化将随之降低并改变方向，直到电场等于某一值时，极化又将趋于饱和。 使极化等于零的电场，称之为矫顽场眈。极化强度随电场的这种变化曲线称为铁 河南大学博七学位论文 电体的电滞回线。由电滞回线可以看出，在正、负相反的外加电场的作用下，铁 电体将分别处于极化方向相反的两种极化状态。因此，我们可以通过控制外加电 场的方式构筑铁电体的极化状态，从而实现非易失的铁电信息存储。 铁电体中自发极化的存在说明铁电体具有特殊的晶体结构，属于非中心对称 的极性点群。这种非中心对称的极性点群结构使其除了具有铁电性外，还具有特 殊的压电效应、介电性、热释电效应、电光效应、声光效应、热光效应、光折变 效应、倍频效应、非线性光学效应等一系列重要特征。人们可以单独利用其中一 种性质制作器件，也可以通过交叉偶合，综合利用两种或两种以上的性质制作多 功能新型光电子器件，还可与其他材料的功能效应结合起来，制作集成智能器件 和系统。因此铁电材料在存储器、传感器、光集成、光波导、热电探测和微机械 等领域具有广泛的应用前景，它是高新技术研究的前沿和热点之一。 过去利用铁电材料制作相关器件，大多采用块体材料。随着高度信息化社会 的到来，对电子器件和光电子器件提出了小型、高速、大容量、高集成和多功能 等诸多要求，使铁电低维材料薄膜引起了材料科学家的极大重视，已经成为近 十几年来新材料研究的热点之一。铁电薄膜具有独特的电学、光学、热学、声学 等性能，并可望与半导体s i 和g a a s 等兼容，因此在光电子学、微电子学等高技 术领域有着广泛的应用前景。特别是，自8 0 年代中期以来，由于薄膜制备技术、 铁电薄膜与s i 集成技术、检测与表征技术的日臻完善，基本扫清了制备高质量铁 电薄膜器件的技术障碍，因而对铁电薄膜性能的研究引起了国际技术界、产业界、 军事界和政府部门的极大关注。目前，铁电薄膜已经广泛地被商业化，主要用于 存储器、便携式电话、微波电子元件、热电或压电传感器或触发器等领域【2 】。 1 2 铁电薄膜存储器 由铁电体的电滞回线( 图1 1 ) ，可以看出，铁电体经电场极化后，处于稳定的 极化态，利用相反方向的极化态分别代表“0 和“1 ，即可实现存储功能。且其 存储的信号不受断电的限制，并不受辐照等干扰源的影响，因而铁电存储器具有非 2 第一章绪论 易失、抗辐射、抗干扰的功能。此外，铁电存储器的读写速度主要取决于铁电材料 的极化反转( 即从p ，态转变为b 态的过程或相反过程) 速度，而目前所用的铁电薄膜 的极化反转速度理论上可达到皮秒量级，所以铁电薄膜存储器可以有极快的读写速 度。因而在所有非易失性存储器件( n v m ) 0 0 ，铁电薄膜存储器件被认为是最具有吸 引力的用于i t ( 信息) 技术的存储器件之一。 目前，已经商业化的铁电薄膜存储器有两种基本工作模式【3 ，4 】：一是破坏性读 出d r o ( d e s t r u c t i v er e a d o u t ) ；二是非破坏性读, m , n d r o ( n o n d e s t r u c t i v er e a d o u t ) 。 d r o 铁电存储器是利用铁电薄膜的电容效应，以铁电薄膜电容取代常规的存储电 荷的电容。n d r o 铁电存储器则是利用铁电薄膜的极化特性，以金属一铁电薄膜一 半导体( m f s ) 场效应管作为存储单元，以铁电薄膜取代常规m o s ( 金属氧化物 半导体) 场效应管中的栅介质层而构成铁电场效应器件。铁电随机存储器( f r a m ) 和铁电场效应晶体管( f f e t ) 分别基于d r o 和n d r o 的工作模式。 1 2 1 铁电随机存储器( f r a m ) ( a )( b ) 图1 2 铁电随机存储器( f r a m ) 存储单元的结构( a ) 和工作原理( b ) 铁电随机存储器( f r a m ) 结构类似于现有的半导体动态随机存储器( d r a m ) ， 是把铁电电容集成于现有c m o s 电路之上，形成1 t 1 c 的存储单元结构。其中，开 关型铁电薄膜电容器是其信息存储读取的核心部件，图1 2 为铁电随机存储器 ( f r a m ) 的结构( a ) 和工作原理( b ) 的示意图。由图可以看出，它是通过铁电薄 河南人学博上学位论文 膜电容器与s i 或g a a s 场效应器件相组合，利用铁电薄膜的极化反转来实现数据的 写入与读取。在存储单元上施加高于矫顽场e 的正向读取脉冲，处于一p 状态0 的存储单元发生反转，位移电流响应脉冲较高，而处于+ 只状态“1 ”的存储单元 不反转，响应脉冲较低。这一区别约在2 0 n s 后便可明显区分。 1 2 2 铁电场效应晶体管( f f e t ) 铁曦薄旗 图1 3 铁电场效应晶体管( f f e t ) 结构的存储单元 铁电场效应晶体管( f f e t ) 以金属铁电半导体( m f s ) 结构作为基本存储单元， 如图1 3 所示。它以铁电薄膜取代常规场效应晶体管中的栅介质层，通过栅极极化 状态( 只) 实现对源一漏电流的调制，使沟道导通或关闭。当给栅极施加一写脉冲， 铁电薄膜被极化，源漏导通为“l ”态。若再施加一反向脉冲，则沟道关闭为“0 态。读取信息时只需在源漏之间施加一读脉冲，根据源漏电流的大小即可读出所 存储的信息( “1 或“0 ) ，而无需使栅极的极化状态反转，因而对所存储信 息的读出是非破坏性的，无需刷新。 1 2 3 基于扫描探针的铁电薄膜存储器 随着电子器件向着微型化和集成化的发展，对信息的存储密度要求越来越高。 研究表明，铁电薄膜可以达到t b i t i 1 1 2 的超高存储密度和p s 的快闪读写速度1 5 一，因 而被认为是将来用于超高密度信息随机存储的最有前途的材料之一。然而，目前 4 第一章绪论 现有的铁电存储器的结构严重地限制了其信息存储密度，因此，迫切需要新的纳 米技术来操纵和检测铁电畴的极化反转，实现超高密度的新一代铁电存储以满足 日新月异的科技发展需求。 1 9 9 2 年【1 7 1 ，g 0 t h n e r 和d r a n s f e l d 第次通过在扫描探针力显微镜( s p m ) 的探 针和铁电聚合物膜的底电极之间施加直流电压的方式，构筑了方向相反的铁电畴， 并通过在其间施加交流电的方式，根据压电效应，用扫描力显微镜观察到了铁电 畴的取向，开创了基于扫描探针进行铁电随机存储的先河。由于该方式所构筑的 畴的尺寸可以小至l l a m ，这将极大地提高铁电存储的密度，因而迅速引起了科学界 的高度关注。目前，在g 0 t h n e r 和d r a n s f e l d 等人研究的基础上，人们已经发明了多 种基于扫描探针的铁电随机存储模式，主要有：对铁电畴伸缩形变敏感的压电力 显微镜【- 9 1 、对表面电荷敏感的开尔文力显微镜 1 0 也1 和对电容敏感的扫描非线性介 电显微镜【1 3 - 1 5 】等。其基本工作原理是：首先，在导电探针和铁电薄膜的底电极间 施加一直流偏压，使探针下的铁电畴发生局域反转 7 1 ，如图1 4 ( a ) 所示。其次， 再用扫描力显微镜的特定工作模式对极化后的物理特性进行识别，即数据的读取。 由于铁电薄膜表面的电荷极其容易受到薄膜自身的载流子、表面吸附电荷以 及注入电荷的影响【l 铊o 】，因此基于开尔文力显微镜的铁电存储的应用具有一定的 局限性。压电力显微镜和扫描非线性介电显微镜