BTO铁电薄膜的H+和Kr2+辐照模拟研究

题目：BTO铁电薄膜的H+和Kr2+辐照模拟研究论文题目：BTO铁电薄膜的H+和Kr2+辐照模拟研究内容提要本文首先介绍了铁电材料和辐射环境。其次，基于蒙特卡罗方法采用SRIM软件，模拟不同能量、通量、入射角的质子、氪离子等粒子辐照产生的氧缺陷浓度随入射深度的变化情况。最后，分析了辐照粒子的种类、能量、通量、入射角等与其诱导铁电材料中产生缺陷的浓度和分布等特性的关联。结果表明：（1）在控制入射粒子与入射角度不变时，随着入射能量的增大，入射离子在靶材内部的终止位置会随着入射能量的加大而逐渐向其内部深处延伸，Bragg峰值随着入射能量的增加而下降，损伤分布变得更加均匀，铁电薄膜产生氧空位的数目会随入射粒子能量的增加而增多。（2）在控制入射粒子与入射能量不变时，随着入射角度（0°~75°）的增大，能量沉积所形成的Bragg峰的位置产生了一定的变化，其离子分布随着角度的增加也要变得更加均匀了。入射角较小时对空位数量的影响很小，当入射角度大50°，空位数量随入射角增大而迅速减少，且空位峰值的所在位置变浅。目录TOC\o"1-1"\h\z\t"标题2,2,标题3,3,副标题,1"摘要 BTO铁电薄膜的H+和Kr2+辐照模拟研究摘要：本文基于蒙特卡罗方法的SRIM软件，模拟了Kr2+、H+两种入射粒子以不同能量、入射角度辐照BaTiO3（BTO）靶材产生的氧缺陷浓度随入射深度的变化情况，分析辐照粒子的种类、能量、入射角等与其诱导铁电材料中产生缺陷的浓度和分布等特性的关联。结果表明：当入射的能量增加时，在靶材内部，离子的终止位置会向内部延伸，空位的数目逐渐增多，使损伤分布变得更均匀。当入射的角度增加时，空位的数目会逐渐减少，空位峰值的位置变浅，损伤分布更均匀。关键词：铁电薄膜；辐照损伤；蒙特卡罗方法；SRIM；TheSimulationofH+andKr2+IrradiationintoBTOFerroelectricThinFilmsAbstract：BasedontheMonteCarlomethodandusingSRIMsoftware,thispapersimulatesthevariationofoxygendefectconcentrationwithincidentdepthcausedbytwokindsofincidentparticleskr2+andH+irradiatingBaTiO3(BTO)targetatdifferentenergyandincidentangle,andanalyzesthecorrelationbetweenthetype,energyandincidentangleofirradiatedparticlesandtheconcentrationanddistributionofdefectsintheferroelectricmaterialsinducedbythem.Theresultsshowthatwhentheincidentenergyincreases,theendpositionofionswillextendtotheinteriorofthetarget,andthenumberofvacancieswillincreasegradually,makingthedamagedistributionmoreuniform.Whentheincidentangleincreases,thenumberofvacancieswillgraduallydecrease,thepositionofthepeakvalueofvacancieswillbeshallower,andthedamagedistributionwillbemoreuniform.Keywords：ferroelectricthinfilm；irradiationdamage；MonteCarlomethod；SRIM；1.引言在现代存储系统中，存储技术作为信息技术的核心部分，是体现国家信息技术发展的重要指标之一。铁电效应最早是在1920年由法国人Valasek在罗谢尔盐中发现，在其打开了对于铁电材料研究的大门后，经过近一百年的发展，铁电材料也向微型化快速发展，对存储技术所提出的要求也越来越高。对于铁电薄膜的研究至今已有几十年的历史，但由于制备技术方面的限制，铁电薄膜进展一直很缓慢，但其作为电子信息功能材料中十分重要的一种，在先进存储技术方面有很大的应用前景。1.1铁电材料简介1.1.1铁电体铁电材料是具有自发极化的介电材料，自发极化的取向有两个或多个方向。铁电材料的自发极化能够随外电场的改变而改变，但不随外电场的消失而消失[1]。自发极化是指晶胞中具有的一种极性矢量，即晶胞中由于原子位置不对称使得正负电荷中心不重合，导致电偶极矩的形成，在极矩方向上呈现极性。铁电体是指在外加电场作用下，自发极化发生反转，且自发极化有两个或多个可能取向，取向可随外加电场而改变的介电晶体。电畴是指晶胞极化方向相同的区域，畴与畴间极化不连续的区域称为畴壁。电偶极矩会因为外电场的作用而发生改变，相应的畴壁也会发生移动[2]。在晶体学点群中，只有10种点群晶体可能具有这种铁电性质[1]。宏观上铁电材料这种铁电性质表现在电滞回线上，如图1所示。图1铁电体的电滞回线极化强度P随着外电场E的变化呈非线性变化，并沿回线循环。在图1中铁电材料的自发极化强度为Ps，Ps随外电场的增强而增强，且最终达到饱和强度。当撤去外电场时，极化强度并不会随之消失，此时即为剩余极化强度Pr。当施加反向电场时，极化会随反向电场的增加而减小至零，此时电场即为矫顽场Ec。若继续增大反向电场，将导致极化反向，且会增加至饱和强度。当电场沿正反方向循环一周时，极化强度随它改变所形成的曲线即为电滞回线,它是铁电材料特有的属性[3]。铁电材料中的铁电性会随温度变化，铁电相转变成顺电相的临界温度即为居里温度(Tc)[4,5]。当铁电材料处于居里温度Tc以下时，材料表现出铁电相，而在Tc以上时则会出现极化消失现象即顺电相。当晶体由铁电相转变为顺电相，它的电学性质以及力学性质等都会相应的发生变化。1.1.2铁电体的分类在目前已被发现和研究的200多种铁电材料中，这些铁电材料按铁电性产生机理大致可以分为两类[6]：一种是有序无序型，材料最小单元本身就具有极性。磷酸二氢钾(KH2PO4)为典型代表，具有氢键，当温度在Tc以上时，质子沿着氢键对称分布。当温度在Tc以下时，质子分布便会向一端集中，并不对称。另外一种是位移型，正负离子在发生位移时会使正负电荷的中心偏离，不再重合，使材料具有极化。像这种由顺电相转变为铁电性的过程是因为晶格发生位移而引起。铁电存储器一直都是新型功能材料与器件的热点研究领域。铁电材料的高速发展使得它能够适用于生活中的多数电子器件。其实早在20世纪50年代时，对于存储器就开始用铁电材料展开研究。当时的研究对象基本都以块体材料为主，而它的翻转电压又很高且电滞回线的矩形度较差，从而容易发生读写错误，最终表现为抗疲劳特性较差，故铁电存储器一直未能取得进一步的发展。在80年代左右，由于各种各样的薄膜制备方法的出现，人们研究的焦点开始转向铁电存储器。在1988年，科研工作者们终于研制出了由铁电薄膜和半导体集成的铁电存储器，它的极化反转电压较低、电滞回线矩形度和抗疲劳特性都有所提高[1]。随着现在科技的不断发展，器件的发展越来越微型化，对铁电存储器的尺寸要求也越来越小。1.1.3铁电材料的发展阶段由于一些物质在被加热时能够吸引到一些微小物体，所以早在发现了某些物质具有与温度有关的自发电偶极距。1824年，Brewster观察到了许多矿石具有热释电性[7]。1880年，约·居里和皮·居里发现在对样品施加应力时会出现电极化的现象[8,9]。早期发现的热释电体没有一个是铁电体，铁电体直至很晚才被发现。当铁电单晶未经处理时热释电响应和压电响应十分微小，在早期难以被发现。铁电效应最早是1920年由法国人Valasek在罗谢尔盐（酒石酸钾钠，NaKC4H4O6·4H2O）中发现的，掀开了铁电体的历史[10]。铁电材料研究的历史可大致分为为以下几个阶段：第一阶段：罗息盐时期—发现铁电性从1920到1939年为罗息盐时期。1919年，师从物理学家WFGSwan教授的JosephValasek在其研究生期间测量了罗息盐的线性介电响应、非线性介电性能、热释电现象等宏观性能。它奠定了两个里程碑：（1）第一次表明罗息盐自身存在持久极化；（2）首次给出电荷与电场之间的回线（见图2）[6]。Valasek是在介电领域使用自发极化和居里点这两个概念的第一人[11]。有趣的是，他从未使用过铁电性（Ferroelectricity）这个词。也许他并不知道，在1912年著名的欧文·薛定谔就已经提出了这一概念[6]。“铁电性”的概念就是在这种背景下产生的。图2首次公开出版的第一条电滞回线第二阶段：KDP时期—铁电热力学理论1940到1958年，即KDP时期，在这一时期，各研究者们建立了铁电唯象理论，并使它逐步发展和完善。在理论研究方面，Müller首先将热力学理论应用于铁电体[10]。VLGinsburg将郎道（Landau）相变理论应用于KH2PO4型铁电体，并迈出了将这一理论应用于更一般情况的第一步[12]。德文希尔（De-vonshire）将其进行完善，发展为今天仍行之有效的郎道-德文希尔理论[10]。第三阶段：钙钛矿时期—铁电软模理论1959到1970年，这阶段为铁电材料里程碑式的时期，含钙钛矿结构的铁电材料逐渐被发现和研究，BaTiO3为其中典型的代表，在战争期间研究电子元器件时发现了它的铁电性。同时建立和基本完善了铁电软模理论，被称为钙钛矿时期。1958年11月在莫斯科召开的苏联第二届电介质会议上Anderson提出了软模理论，而Cochran则独立地进行了更详细的研究[7]。Barker和Tinkham运用红外光谱以及随后的Cowley利用非弹性中子散射进行了实验验证[7]。直到20世纪70年代时，铁电相变晶格动力学的主要思想已基本阐明。第四阶段：铁电薄膜及器件时期—小型化从1980年至今都主要研究异质结构等非均匀系统，同时向器件集成化方向发展。二战时期BaTiO3虽就已应用于器件中，随后铁电材料被广泛应用于生产多种器件，但90年代以前并没有真正用到铁电材料的铁电性，而是利用铁电材料的其他性质，主要是压电性和热释电性[11,13]。薄膜的制备技术在80年代的中期取得了飞跃性发展，基本扫清了制备高质量铁电薄膜的技术障碍[14]。铁电薄膜由于具有介电性、压电性、热释电性、铁电性以及电光效应、声光效应、光折变效应和非线性光学效应等特性，人们便利用其中一种或多种特性研制出多种铁电薄膜器件。表1铁电薄膜的性质与相应的器件性质主要器件介电性电容器、动态随机存取存储器（DRAM）压电性声表面波（SAW）器件、微型压电马达、微型压电驱动器热释电性热释电探测器及阵列铁电性铁电随机存取存储器（FRAM）、介质移相器、压控滤波器电光效应光调制器、光波导声光效应声光偏转器光折变效应光调制器、光全息存储器非线性光学效应光学倍频器随着材料的不断发展，以及对铁电材料所提要求的不断提高，结合铁电材料与工艺和传统的半导体材料与工艺，形成了一门新兴的交叉学科—集成铁电学（IntergratedFer-roelectrics）。同时，铁电材料及器件的研究发生了两个重要的转变：一是由单晶器件向薄膜器件发展；二是由于器件向集成化器件发展[14,15]。八十年代以来，随着薄膜制备技术有所突破，在高质量铁电薄膜的制备方面提供了重要基础，铁电材料也向微型化快速发展。传统的铁电材料由于尺寸效应，与CMOS工艺不兼容及环境污染等问题已经不能满足集成电子器件的要求，因此发展新型铁电材料是十分迫切的。本论文主要针对于铁电薄膜辐照损伤进行研究，在本章中将介绍铁电材料、铁电薄膜材料、辐照环境以及论文论文选题和研究内容。1.1.4铁电薄膜材料简介固体或液体的一维线性尺度远小于它的其他二维尺度时，这样的固体或液体就称为膜。大多数情况下，器件的微型化和集成化需要将铁电体制成数十纳米到数十微米厚的薄膜，即铁电薄膜。铁电薄膜材料是指具有铁电性，且厚度在数十纳米到数微米范围内的薄膜材料[16]。随着现代科技的发展，铁电材料也向微型化及三维化快速发展，起初主要采用体材的铁电材料已经无法满足集成器件时代的要求，大块型铁电材料也无法与半导体工艺兼容，故加速了块状材料向薄膜材料的转变。铁电薄膜性质(a)铁电性：在一定温度范围内，具有自发极化现象，极化方向随外加电场的改变而改变，具有这些特征的就称为铁电性。外加电场E和极化强度p之间为非线性关系，而他们所形成的闭合曲线，即电滞回线为铁电性的主要体现。应用在铁电场效应晶体管(FeFET)上的就是利用铁电薄膜随外场变化时极化方向的转变来调控场效应晶体管的源漏电流大小的性质。(b)介电性：在外加电场的作用下，不导电的物质称之为电介质。若将一均匀电介质材料作为另一个电容器的介质，然后置于电容器两极之间。将电介质的极化导致电容器的电容量相较于真空条件下的电容量高出数倍的物理特性被称为介电性，电容量增加的倍数即为相对介电常数，用符号表示为ε。表征电介质材料宏观介电性能的一个重要参数就是介电常数。(c)压电性：指电介质材料因机械外力的作用发生变形，其晶体内部正负电荷中心产生了偏移，导致极化的产生，且在材料两端的表面出现正负电荷。这种由于外加机械压力而产生极化的现象称为正压电效应[14]。与之相对应的，当外加电场作用在电介质极化方向上时，电介质产生相应的变形，我们将电场去掉后，变形也会随之消失，这种现象被称为逆压电效应。正压电效应和逆压电效应都是压电效应。(d)热释电效应:指因为温度的变化引起晶体产生电极化的现象，在宏观上的表现就是温度改变使材料两端产生电压。满足公式：∆Ps=p∆T（其中：∆Ps表示自发极化强度变化量，∆T表示温度变化量，p为热释电系数）。(2)铁电薄膜应用与目前的发展情况自从1920年发现罗息盐中存在着铁电性以来，截止到目前为止，铁电薄膜的发展已经经历了四个发展阶段，分别为罗息盐时期、KDP时期、钙钛矿时期和当前的集成铁电时期，发展趋势总的来说是向着铁电材料种类的多样化，器件的小型轻量化、可集成化发展。上面已经论述了铁电薄膜有许多优良性能，利用其中一种性质或者多种性质结合已经设计出应用在不同领域的许多功能薄膜器件，而且由于铁电薄膜驱动电压低（仅几伏特），同时结合现代半导体集成工艺，其潜在应用价值巨大。表2列举了一些铁电薄膜的应用。铁电薄膜性能应用举例铁电性铁电场效应晶体管、滤波器、铁电随机存储器介电性电容器、微波谐振、波导器件、探测器压电性压电传感器、微型压电马达热释电性热释电红外探测器、热释电测温仪电光效应光调节器、光开光、光波导声光效应声光偏转器表2铁电薄膜应用举例[17,18]目前铁电薄膜发展正处于瓶颈阶段，随着集成铁电学的兴起和后摩尔时代的到来，人们对铁电薄膜器件集成化要求越来越高，铁电薄膜的发展遇到了前所未有的挑战。以下列举了传统铁电薄膜材料研究中存在的主要问题，这些问题极大的限制了铁电薄膜的进一步发展和应用。(a)印记问题。印记指的是在铁电薄膜长期的处于一定极化状态以后，如果想要使得极化翻转，就要施加更高的反向电场使极化翻转。而印记失效是指铁电薄膜材料的极化状态有偏向于一种状态的“习惯”，在电滞回线中就会表现出向左（右）偏移或者变形失真的情况。当印记问题出现在存储器中时，就会引起信息的失真，故目前印记问题引起了许多学者的关注。Lazareva等人[19]认为印记效应是由极化翻转过程中注入电荷的屏蔽效应引起的。唐明华等人[10]提出双界面模型来解释印记失效，认为印记效应与界面层有关。(b)尺寸效应问题。材料尺寸降低对材料的影响可以分为三类[20]。第一类是有限尺寸效应，其宏观上的表现为材料的尺寸减少的时候材料的性质也发生改变，如介电常数和极化强度会随薄膜厚度减少而减少，矫顽场则会随膜厚降低而增大，当薄膜厚度减少到一定值时，铁电材料的极化甚至还会消失。第二类是指实验上所观察到的尺寸效应，它是材料本征尺寸效应与实验过程中其他外界因素共同作用的结果，如材料的退极化场、畴结构等。第三类则是通过人为控制铁电材料晶体织构、成分和界面结构等得到的，如制备的铁电纳米颗粒，纳米线等。(c)与CMOS工艺不兼容问题。传统的铁电薄膜材料，如锆钛酸铅(PZT)，含有重金属离子，会对CMOS工艺线产生污染。同时，由于传统的铁电薄膜与硅基集成存在晶格不匹配问题。这些问题将会导致传统铁电薄膜难以应用现代半导体工艺集成。除了上述问题，还存在着小禁带宽度问题，热处理导致性能退化问题等都制约着传统铁电薄膜材料的发展。故发展新型铁电材料乃大势所趋。1.2辐照环境1.2.1辐射环境的分类实际上无论是在器件的制造环节还是工作情况下，器件都可能会遭受电离辐射的影响，所以在这些应用当中，都必须考虑到材料的抗辐射性能问题。而在空间及军事应用中，要考虑器件所处环境存在的苛刻辐射环境。由高能粒子和高能射线所构成的环境称为辐射环境，可分为人工辐射环境与自然辐射环境两类。其中人工辐射环境包括了核反应辐射环境[21]等，此辐射环境是指器件所处辐射环境乃人工造成的。随着科学技术的不断进步和发展，越来越多可主动发生辐射的仪器设备被制造研发出来，也即器件在其运行过程中会生成很多的高能射线，器件性能受到严重的影响。自然辐射环境主要包括空间辐射、大气辐射两类：（1）空间辖射环境[22]，也即天然空间辐射环境，此时器件所处环境十分复杂，需要考虑多种高能离子与射线，主要包含范艾伦辐射带(VanAllen带，是由地磁场吸引而形成，故又被称为地磁俘获带)和宇宙射线(包括太阳宇宙射线和宇宙银河射线)，下面就不同的空间辐射环境作出相应的介绍：（a）宇宙射线，亦即银河宇宙射线，是指太阳系以外的高能粒子都可被称为宇宙射线，通常宇宙射线的能量较大，范围在102MeV–1012MeV之间，并且它的粒子密度较大；（b）太阳宇宙，亦即太阳的活动所产生的射线，太阳所生成的能量大多来源于其内部的核聚变反应产生高能粒子，在太阳耀斑发生时最为显著，其射线能量范围在1–103MeV之间不等；（c）地磁俘获带，亦即范艾伦辐射带，由于地磁场吸引而形成的，故被称为地磁俘获带。范艾伦辐射带由于地磁场的引力作用，而高能粒子在地球周围便形成了辐射带。实际生活中所发射的航天设备一般都会避开范艾伦辐射带，卫星处于低轨道时遭受的辐射效应尤为严重[23]。（2）大气辐射环境[24]，由于地球外有大气层的阻挡和地磁场的洛伦兹力影响，使得绝大部分宇宙射线都被阻止在外，难以到达大气层内部。而能量极大的宇宙射线能够克服这些阻挡到达大气层内，并与大气层中元素的原子核发生相互碰撞，随后原子核与另外的原子核继续发生碰撞。1.2.2铁电薄膜的辐射损伤辐照效应是指高能粒子（如中子、质子、电子等）与材料发生作用，从而使得材料内部产生缺陷，其最终的结果是导致材料的宏观性能有所改变。一般而言，铁电材料器件在辐射环境中所产生的损伤类型主要有三种[25]：（1）电离效应：电离效应可分为剂量率效应、单粒子效应以及总剂量效应。电离效应是指材料中的原子在高能入射粒子的作用下产生电离从而产生电子-空穴对的现象。（2）位移效应[26,27]，由于中子穿透力比较强且不带电，原子核在中子相互作用时产生碰撞，发生迁移，使能量得以传递到其他原子中，获得能量的原子便可以挣脱周围原子对它的束缚而离开原来所在位置的晶格点，最终在离开位置形成一个空位，这样的效应使得材料的宏观性能得以改变。（3）电荷转移效应：在高能辐照下的靶材可以产生能穿透材料界面的次级荷电粒子，电荷的转移生成瞬间电场和电流的现象为电荷转移效应。1.2.3辐射损伤的方法简介空间存储器由于所处的空间环境的复杂性，需要综合考虑各种的因素对其产生的影响、性能的改变乃至失效问题。为了进一步弄清铁电材料在特定环境下的失效机理，从而将材料的抗辐射性能最大可能提高，故铁电材料的辐射效应研究对于其在辐照环境下的应用非常重要。目前对于铁电材料的辐照损伤研究主要有括实验模拟法和计算机模拟法，根据具体需要确定使用这两种方法之一或者同时使用。以下是对两种方法的简介：（1）实验模拟法：早期主要应用SEM（扫描电子显微镜）及正电子湮灭等技术分析辐射在内部产生的缺陷，现在多数情况下是使用高压倍离子加速或者反应堆加速研究铁电材料、器件等的辐照损伤。但受多方面条件约束，实验模拟方法所需成本过大，而计算机模拟法相对来说费用低、随机模拟可变范围广、简单便捷易于操作，因此在此研究领域计算机模拟法能得以广泛应用。（2）计算机模拟方法：计算机模拟法主要有两种，分别是蒙特卡罗模拟(MC)以及分子动力学模拟（MD）。前者基于统计学原理，对于辐照情况进行随机模拟，可用于对粒子的沉积深度的模拟。后者主要采用的是经典力学原理。相对蒙特卡罗模拟来说，分子动力学模拟的优势主要体现在其在以低能离子入射、晶体体系较小时能精准监控。而当以高能离子入射时，就需要用蒙特卡罗方法了。1.3论文选题依据及研究内容通过上述阐述，可发现铁电材料拥有良好的抗辐射能力，可被应用在诸多方面（如空间存储器）。相较于传统半导体存储器，铁电存储器是一种非易失性存储器，抗疲劳性好、低能耗、读写速度快、抗辐射性能好，能够克服传统半导体存储器在读写信息困难、信息容易丢失等方面的缺点。对于处于太空环境中的空间存储器而言，这些电子元件的抗辐射性能十分重要，其发射成本又极高，由于是在外太空中，一旦损坏基本难以修复，所以在基础研究中一直是关键性问题。由于航天器所处辐射环境的复杂性，存在各种因素使得铁电器件的性能发生退化乃至失效。目前，针对太空中各种器件的辐射损伤研究问题已经成为航空航天领域的重要研究课题，这对铁电存储器的进一步发展也有着更深远的意义。当前各种器件向着小型化与集成电路密集化发展，对于铁电材料的抗辐射性能与可靠性的要求也明显有所提高。因此，本文选取典型的铁电材料BaTiO3（BTO）为研究对象，对其辐射效应进行了深入的研究与分析，分析了辐照粒子的种类、能量、入射角等与其诱导铁电材料中产生缺陷的浓度和分布等特性的关联。具体研究内容如下：建立如Pt／BaTiO3／Pt铁电薄膜靶材模型，基于SRIM程序，模拟不同能量、通量、入射角的质子、氪离子等粒子辐照产生的氧缺陷浓度随入射深度的变化情况，对BaTiO3等铁电材料的损伤效应进行研究，并分析其结果以及出现的原因。2.模拟方法随着我国成功由航天大国向航天强国迈进，对于质子辐照的研究一直以来都是航天领域备受关注的方面。但受到多方面条件的约束，实验模拟方法所需成本过大，而计算机模拟法相对来说简单便捷易于操作，之前在低能质子的辐射研究方面进行的相对较少，故本文中H+采用低能质子（能量低于100KeV）辐照。低能质子的穿透能力较弱，产生的位移损伤较小。事实证明在实际的电离辐射中低能质子比高能质子要多，且随着高能质子在靶材中作用，会有一部分衰减为低能质子。因此，对于低能质子的辐射损伤研究也是十分重要的。基于此，研究低能量质子的辐射损伤及其关联具有十分重要的意义。本章将使用基于蒙特卡罗方法的软件包SRIM(TheStoppingandRangeofIonsinMatter)研宄研究铁电薄膜材料如BTO等靶材的辐照效应，分析铁电薄膜材料中的能量损失、辐照损伤以及性能退化规律。首先建立所需的靶材模型，然后简述蒙特卡罗方法以及模拟过程中所需用到的软件、研究方法等。2.1蒙特卡罗方法简述蒙特卡罗(MonteCarlo，MC)方法，也称为随机抽样法，是通过设定随机过程，反复生成时间序列，计算参数估计量和统计量，研究其分布特征的方法。基本思想是将所研究的物理问题演变为类似的随机过程或概率事件，使它的参数等于问题的解，然后通过对模型或者工程的观察或者随机抽样的试验来求所求参数的统计特征，最后得到所求解的近似值，解的精确度由估计值的标准误差来表征。它的优点是可以让物理过程能更加的真实被模拟，使得到的结果与实际更加吻合。2.2SRIM计算程序简介SRIM程序主要包含两个主程序，SR（TablesofStoppingandRangesofionsinsimpletargets）和TRIM（theTransportofIonsinMatter）。前者模拟随着能量变化在靶材深度的分布情况；而后者则是一个蒙特卡罗模拟算法，能跟踪每一个入射粒子进入靶材后运动的轨迹，得到入射离子在靶材中能量的详细计算。这种通过跟踪入射粒子的运动轨迹，将粒子在靶材中的射程、位置、能量损失情况都记录下来的方法能够更加真实的模拟出在真实辐照环境中的辐照损伤情况，而当模拟的次数足够多时，就能达到一定的精度。SRIM软件因为使用了蒙特卡罗方法，所以其模拟范围也比较广。3.结果与讨论本文应用SRIM软件，采用2种入射离子（氢离子和氪离子），分别对BaTiO3（BTO）铁电薄膜材料进行以不同入射角度（0°~75°）、不同入射能量（H+为10KeV-100KeV，Kr2+为400Kev~2MeV）的粒子束照射损伤，进而研究不同靶材材料在不同低能质子入射下的损伤效应，并分析材料的抗辐射性能及差异形成原因，掌握其辐照损伤机理及性能退化规律。在SRIM程序的设置上，入射离子的总数目为默认99999次，选择全级联方法分别模拟氢离子、氪离子对BaTiO3（BTO）的辐照损伤。3.1靶材模型的建立在本章中我们所研究的靶材是在室温条件下对靶材的电离辐射损伤情况，建立的三层靶材模型如图3所示，上下两层为铂电极，中间为所测试的靶材材料。在此基础上以不同的入射通量采用不同的辐射源以不同入射角度（0°~75°）入射不同的靶材，其中两个条件固定时改变另一个条件去研究三者之间的关系，确定辐照与其产生缺陷的关联。图3靶材模型3.2kr2+入射BaTiO3的结果及讨论3.2.1入射离子kr2+在BaTiO3薄膜的终止位置在SRIM程序中选取入射离子为Kr2+，创建Pt-BaTiO3-Pt的靶材，三层靶材中两层Pt深度为600A，BaTiO3的深度为8400A，采用全级联方法模拟，入射离子总数目为默认的99999次，设置不同的入射通量及不同入射角度进行模拟试验。当入射粒子在入射BaTiO3靶材材料的过程中，要想穿透Pt层它的能量就会减少，具有多个入射角度，因此在本次模拟中设置了4种不同的入射角度（0°、25°、50°、75°）及4种不同入射能量（400KeV、1MeV、1.5MeV、2MeV）进行模拟。通过观察粒子在靶材中停留的位置可直观体现出靶材材料产生辐照损伤的区域。在辐射模拟进行过程中，当入射粒子在靶材内终止的时候，其尾部会堆积很多能量，形成一个能量沉积峰值（Bragg峰）。模拟图如下所示：(a)(c)(d)(b)(a)(c)(d)(b)图4不同入射通量的kr2+以相同角度0°入射时在BaTiO3薄膜中分布的3D离子分布图（a）400KeV（b）1MeV（c）1.5MeV（d）2MeV25°0°25°0°50°75°50°75°图5相同入射通量1MeV的kr2＋以不同角度入射时在BaTiO3薄膜中的3D离子分布图使用SRIM软件的TRIM程序模拟的结果如图4、图5所示，在相同入射角度下改变不同入射通量、相同入射通量下采用不同入射角度得出了BaTiO3薄膜中在不同位置上的终止离子数的3D离子分布图。研究结果表明，当以400keV离子入射时，靶材的辐照损伤主要集中于Pt层，仅有少部分离子穿透Pt层进入BaTiO3层对其造成损伤。随着入射能量的不断增加，靶材中的辐照损伤在向其更深处部延伸。当入射能量从400KeV变化到1MeV时，由图可看出相较于400KeV时离子在BaTiO3薄膜中的终止位置要深一些，在靶材尾部形成的Bragg峰也要相对低一些，部分粒子开始进入BaTiO3层并对其造成了损伤。当入射能量增大到1.5MeV时，Bragg峰值呈下降的趋势，离子在BaTiO3靶材内所造成的辐射损伤也变得比较均匀，其在靶材内的终止位置继续向靶材内部更深处移动，甚至有极少部分已经穿透BaTiO3层进入到了Pt层。最后将入射离子的能量增加2MeV时，在靶材内的损伤范围继续向靶材内部更深处延伸，有少量离子穿过第二层到达第三层对Pt层造成损伤，此时Bragg峰值随着入射能量的增加而继续下降，损伤分布变得更加均匀。而随着入射角度的增加，能量沉积所形成的Bragg峰的位置产生了较小的变化，其离子分布随着角度的增加变得相对均匀了。这是由于随着入射能量的增加，入射离子与靶材内的原子碰撞次数随之增加，碰撞面积增大，所以在靶材内的损失分布也更加均匀了。而随着入射角度的增加，能量沉积所形成的Bragg峰的位置只产生了较小的变化，离子在靶材内的终止位置没有太大变化，但是损伤分布变得更加均匀。这是因为随着入射角度增加，增加了离子在靶材中的宏观运动距离，从而导致入射离子与靶材内原子的碰撞次数增多，入射离子的能量损失增大，在靶材内的损伤也就更加均匀。3.2.2入射离子Kr2+在BaTiO3薄膜中能量与质量沉积本节依旧选取入射离子在不同的能量不同入射角度下对BaTiO3薄膜造成的损伤，去研究入射能量和空位分布两者之间的关系。图6的四张图分别表示了能量为400KeV、1MeV、1.5MeV和2MeV的氪离子去辐照BaTiO3时产生的Ba、Ti、O空位随着薄膜深度的分布情况。图中横坐标表示靶材薄膜的深度，纵坐标表示平均一个入射离子在单位深度（埃米）上产生的空位数。而曲线的积分面积表示的是产生的Ti、O、Ba空位总数目。结果显示，产生的氧缺陷是最多的，钡缺陷比太缺陷略多，排第二，而钛缺陷则最少。(b)(a)(d)(c)(b)(a)(d)(c)图6同一入射角度（0°）不同入射能量入射时产生的空位密度随位置的关系:（a）400KeV（b）1MeV（c）1.5MeV（d）2MeV(a)(b)(d))(c)(a)(b)(d))(c)图7以1MeV入射能量在不同入射角度下入射时产生的空位密度随位置的关系:（a）0°（b）25°（c）50°（d）75°从图中我们可以看出，随着入射能量的增大，穿过Pt层的离子逐渐增多，便有更多的离子进入到薄膜材料中产生损伤，在BaTiO3层造成的损伤也增多，图中三种原子的空位数也开始增多。随着入射离子的能量增加，空位分布的峰值会向靶材的深度方向移动。空位分布峰值向靶材内部深处延伸，但随着入射能量的增大峰值的幅度却在下降。这是因为入射能量增加时，入射离子与靶材内的原子发生碰撞的次数也会增多，碰撞的横截面积增大。从图中可以明显看出氧缺陷是最多的，钡缺陷第二，钛缺陷最少，主要是因为相比于Ba原子和Ti原子，O原子的位移阈值能最低且氧原子在钛酸钡中的数目数量最多，故形成的氧空位数目也是最多的。而随着入射角度增加，空位分布峰逐渐向深度浅处移动，这是因为入射角度增大时离子的运动路程也增多，入射离子与靶材内原子的碰撞次数增多，在靶材中的能量损失就会增多，入射离子的投影射程会在靶材中变短，从而使空位分布峰值所在的位置变浅。3.3H+入射BaTiO3的结果及讨论3.3.1入射离子H+在BaTiO3薄膜的终止位置40keV10keV40keV10keV70keV100keV70keV100keV图8以不同入射能量采用相同入射角度0°的H＋入射BaTiO3薄膜的3D离子分布图25°0° 25°0°50°75°50°75°图9以不同入射角度采用相同入射能量70KeV的H＋入射BaTiO3薄膜的3D离子分布图在SRIM软件的TRIM程序中选取入射离子为H+，，创建Pt-BaTiO3-Pt的靶材，三层靶材中两层Pt层的深度为800A，BaTiO3的深度为16000A，采用全级联方法模拟，设置不同的入射通量及入射角度，数据处理后得到的结果如图8、图9所示。由于Pt层深度设置得比较薄，所以即使入射离子H+在以10KeV能量入射时多数射离子也能够穿透Pt层进入BaTiO3靶层，在其上造成损伤，仅有少部分的入射离子终止位置是在Pt层。但穿透Pt层后由于H+能量低很难再穿透BaTiO3层故最终终止于BaTiO3的表面。当能量增加40KeV时，在图中可看出大多数入射离子穿透了Pt层进入了BaTiO3层，H+在BaTiO3层中的终止位置要比10KeV时要更深一些，靶材尾部的Bragg峰的值有所下降。当入射能量增大至70KeV时，入射离子在靶材内的终止位置继续向靶材内部延伸，且没有穿透BaTiO3靶层，其尾部的Bragg峰值在逐渐降低。当最终能量增大至100KeV时，入射离子在靶材内的终止位置亦即损伤范围继续向BaTiO3内部延伸且没有穿透BaTiO3靶层进入下一Pt层，Bragg峰值继续呈下降趋势，但损伤分布会更均匀。在入射能量为100KeV时随着入射角度的不断增大，Bragg峰只有略微的变化，并未发生太大改变，但离子分布比之前更加均匀了，也就意味着更多的离子终止在BaTiO3靶材中。综上所述，随着入射能量的不断增加，铁电薄膜的辐照损伤在向中部乃至更深处延伸，此时Bragg峰值随着入射能量的增加而逐渐下降并会逐渐变得均匀，损伤分布也更均匀。这是由于入射能量增加时，入射离子与靶材内原子的碰撞次数也随之增加，碰撞面积增大，故在靶材内的损失分布会更均匀。而随着入射角度的增加，能量沉积所形成的Bragg峰的位置产生了些许的变化，离子在靶材内的终止位置没有太大变化，但是损伤分布变得更加均匀。这是因为当入射角度增大时，离子在靶材内的运动距离随之增大，从而导致入射离子与靶材内原子的碰撞次数增多，入射离子的能量损失增大，分布就更均匀。3.3.2入射离子H+在BaTiO3薄膜中能量与质量沉积(b)(a)(b)(a)(d)(c)(d)(c)图10以同一入射角度（0°）采用不同的入射能量入射时产生的空位密度随位置的关系:（a）10KeV（b）40KeV（c）70KeV（d）100KeVbabadcdc图11以相同入射能量（70KeV）采用不同入射角度入射时产生的空位密度随位置的关系（a）0°（b）25°（c）50°（d）75°图11为在同一入射角度0°时H+以不同入射能量入射时所产生的空位密度随位置的关系图，由于Pt层厚度设置比较薄，在10KeV能量入射时依旧有多数离子穿透Pt电极层进入BaTiO3层，故图中有Ba、Ti、O原子，但是相对来说空位浓度比较低，这是因为入射能量较低，加之铂电极的反射作用以及材料的核阻止等因素，故只有少部分的H+穿透Pt层进入BaTiO3层。随着入射能量的增加导致更多的离子能穿透Pt电极进入BaTiO3材料中，从而空位分布峰值向靶材深处延伸。产生这种现象的原因跟Kr2+时相同，此处不再赘述。随着入射能量的增大，穿过Pt层的离子逐渐增多，对BaTiO3层造成更多损伤。从图中可看出使靶材产生空位数目最多的是氧缺陷，钡缺陷比钛缺陷略多，排第二，而钛缺陷最少。这主要是因为O相比于Ba原子和Ti原子，O原子的位移阈能最低且数量最多。而随着入射角度增加，空位分布的峰会逐渐向深度浅处移动，这是因为随着入射角度的增大，入射离子在靶材内的运动路程随之增大，入射离子与靶材内原子的碰撞次数增多，在靶材中的能量损失就会增多，入射离子在靶材中的投影射程变短，从而使空位分布峰值所在的位置变浅。4.结论本文基于蒙特卡罗方法，通过SRIM软件包对BaTiO3铁电薄膜的辐照损伤效应的情况进行了研究，研究模拟了不同能量、入射角的氪离子、氢离子等粒子辐照产生的氧缺陷浓度随入射深度的变化情况。主要结果如下：（1）在控制入射粒子与入射角度不变时，随着入射能量的增大，入射离子在靶材内部的终止位置会随着入射能量的加大而逐渐向其内部深处延伸，Bragg峰值随着入射能量的增加而下降，损伤分布变得更加均匀，铁电薄膜产生氧空位的数目会随入射粒子能量的增加而增多。（2）在控制入射粒子与入射能量不变时，随着入射角度（0°~75°）的增大，能量沉积所形成的Bragg峰的位置产生了一定的变化，其离子分布随着角度的增加也要变得更加均匀了。入射角较小时对空位数量的影响很小，当入射角度大50°，空位数量随入射角增大而迅速减少，且空位峰值的所在位置变浅。参考文献[1]钟维烈,铁电物理的近期发展.物理,1996,4:193-199.[2]舒剑;于艳菊;巴龙,用扫描压电显微术观察不同掺杂PZT薄膜的铁电畴分布.电子显微学报,2003,22:172-175.[3]Fu,C.,Yang,C.,Chen,H.,Hu,L.,Modelfordielectricnonlinearityofferroelectrics.JournalofAppliedPhysics,2005,97:034110-034110.[4]Xie,Y.,Qiang,L.-S.,Zhong,H.,Yu,H.-T.,Fu,H.-G.,ADFTinvestigationofvibrationalnatureandferroelectricphasetransitionofBaTiO3andPbTiO3.ActaChimicaSinica,2005,63:455-459.[5]Wang,C.,Zhong,W.,Zhang,P.,TheCurietemperatureofultra-thinferroelectricfilms.JournalofPhysics:CondensedMatter1992,4,4743.[6]Fousek,J.,JosephValasekandthediscoveryofFerroelectricity.,ISAF’94.,NewJersey(USA):IEEE,1994:1-5.[7]FousekJ.,Ferroelectricity:RemarksonHistoricalAspectsandPresentTrends[J].Ferroelectrics,1991,113(1-4):3-20.[8]GonzaloJ.A.,JiménezB.,Ferroelectricity:TheFundamen-talsCollection[M].Weinheim:Wiley-VCH,2005.[9]SunB.,WuJ.,GaoC.,QianM.,ResearchontheTorsionalEffectofPiezoelectricquartz[J].SensorsandActuatorsA,2007,136:329-334.[10]钟维烈.铁电体物理学[M].北京：科学出版社,2000.[11]ScottJ.F.,FerroelectricMemories[M].Berlin:Springer-Ver-lag,2000.[12]KanzigW.,HistoryofFerroelectricity1938-1955[J].Fer-roelectrics,1987,74:285-291.[13]RameshR.ThinFilmFerroelectricMaterialsandDevices[M].Massachusetts:KluwerAcademicPublishers,1997.[14]殷之文.电介质物理学（第二版）[M].北京:科学出版社,2003.[15]YeZ.,TangM.H.,ZhouY.C.,etal.ModelingofImprintinHysteresisLoopofFe