鐵電存儲(chǔ)器及相關(guān)的物理問(wèn)題

鐵電存儲(chǔ)及相關(guān)的

物理問(wèn)題

朱勁松

南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理實(shí)驗(yàn)室jszhu@鐵電體的基本特性。存在自發(fā)極化P，且自發(fā)極化有兩個(gè)或多個(gè)可能的取向，其取向可以隨電場(chǎng)而改變。。有一電滯回線。TC

居里溫度。熱釋電，壓電，電光，聲光，非線性光學(xué)，鐵電,介電性能鐵電體的應(yīng)用鐵電存儲(chǔ)器工作原理當(dāng)外加電場(chǎng)退到零時(shí)，在鐵電體上仍然保留剩余極化電荷Ｐr利用兩個(gè)穩(wěn)定的極化狀態(tài)：正，負(fù)Ｐr為BoleanAlgebra中的編碼１或０達(dá)到存儲(chǔ)信息的目的

鐵電存儲(chǔ)器的發(fā)展1921年發(fā)現(xiàn)鐵電性。穩(wěn)定極化+Pr-Pr

可為1，0編碼1950，60年代，使用鐵電體材料，矯頑場(chǎng)高電壓大于100V1970年代，薄膜制備技術(shù)發(fā)展，使用電壓降低*IBMBatra&SilvermanSolidStateComm.11,291,1972，d<400nm退極化場(chǎng)將使極化不穩(wěn)停止了IBM所有鐵電薄膜的工作*Tilley&ZeksSolidStateComm.49,823,1984分析了Pr隨Z的關(guān)系，重新研究開(kāi)始To低于體材料，存在一最小的d值鐵電存儲(chǔ)器的發(fā)展非揮發(fā)鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（NVFeRAM）和鐵電動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）是近十年來(lái)發(fā)展最快的存儲(chǔ)器之一。鐵電薄膜存儲(chǔ)器具有體積小、重量輕，耐輻射，使用電壓低，易與硅集成等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前與半導(dǎo)體、磁存儲(chǔ)器并列的重要的存儲(chǔ)器之一。近五年來(lái)已逐漸走向商業(yè)化。低密度的存儲(chǔ)器已大量在IC卡、Smart卡中使用

1980年代NvFeRAM發(fā)展動(dòng)力來(lái)自美國(guó)軍方.美軍用飛機(jī)使用的非揮發(fā)存儲(chǔ)器

[原圖來(lái)自NorthAmericaDefenceCenter(NDAC)1988]軍用飛機(jī)中使用的存儲(chǔ)器抗輻射，衛(wèi)星，航天飛機(jī)(Science246,1440,1989)96KEEPROM嵌入式雷達(dá)預(yù)警接收器96KEEPROM電子計(jì)數(shù)測(cè)量接收器8MEEPROM可移動(dòng)座倉(cāng)計(jì)錄器36MSRAM或EEPROM主體計(jì)算機(jī)（SRAM）16KEEPROM導(dǎo)彈存儲(chǔ)器200MBubble存儲(chǔ)器飛行事故記錄器

鐵電存儲(chǔ)器應(yīng)用1999年美國(guó)軍用支持減少。FeRAM

應(yīng)用轉(zhuǎn)移到商用。1999年：4-64KbitSmartcard代替EEPROM2000-2001年Mbit

代替SRAM，DRAM，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器鐵電存儲(chǔ)器（NvFRAM)嵌入硅微控制器（asinglechip)嵌入器件可用于家用電器（洗衣機(jī)，洗碗機(jī)，干燥器，烘烤爐）存儲(chǔ)密度中等。大的市場(chǎng)：4Mbit

數(shù)碼相機(jī)，256Mbit音頻存儲(chǔ)器Sony游戲站PS2(2003)1988-1998數(shù)字存儲(chǔ)器(cost/bit-access

time)1999存儲(chǔ)器cost/bit—accesstime鐵電存儲(chǔ)器的發(fā)展動(dòng)力微電子領(lǐng)域本世紀(jì)最現(xiàn)實(shí)、最迫切的發(fā)展方向是由集成電路（IC）向集成系統(tǒng)（IS）方向的轉(zhuǎn)變。芯片系統(tǒng)（SOC：systemonchip）是當(dāng)前微電子科技與IC產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。用于SOC的新一代嵌入式鐵電存儲(chǔ)器是近幾年國(guó)際上發(fā)展的熱點(diǎn)。Sony公司最近已將4kbit的鐵電存儲(chǔ)器作為嵌入式存儲(chǔ)器在不久前推出的PS2游戲機(jī)中廣泛加以應(yīng)用。而松下電器（MEI）半導(dǎo)體公司已將鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（FeRAM）定位為支持芯片系統(tǒng)(SOC)業(yè)務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)。鐵電存儲(chǔ)器(1)

非揮發(fā)性鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器（NvFeRAM)

(Non-volatileFerroelectricRandomAccessMemory)即使在電源中斷的情況，存儲(chǔ)的信息也不會(huì)丟失鐵電體不僅作為電容而且是存儲(chǔ)器的一部分低電壓運(yùn)作（1.0-5.0V),低功耗小尺寸，僅為EEPROM單元的20%抗輻射。（軍用，衛(wèi)星通訊）高速：200ns讀取時(shí)間易與其它Si器件集成FeRAMEEPRM(FloatingGate)EEPRM(FLASH)MagneticRAMSSize1Mbit1Mbit1Mbit16KbitEndurance>1012105104(write)NolimitSpeed(Access)200ns150ns120ns200ms-2μsWriteTime100ns10ms/bytehigh100nsVoltage(V)noneDatatrans-speed5Mb/s1Kb/s100Kb/snone不同存儲(chǔ)器性能比較不同存儲(chǔ)器的性能比較FeRAMSRAMDRAMEEPROMFLASHReadcycle1012-1015>1015>1015>1015>1015Writecycle1012-1015>1015>1015104-106105-106Writevoltage0.9-3.30.9-3.30.9-3.312-1810-18Writetime~ns~ns~ns1-10ms1μs-1msAccesstime40-70ns6-70ns40-70ns40-70ns40-70nsCellsize13F2100F28F240F26-12F2Dataretention>10yearsnonenone>10years>10yearsReadcycleenergy5-20nj5-10nj10-20njnone5-10njWritecycleenergy5-20nj5-10nj10-20njμj-mjμj-mjStand-bycurrent10-30μA<10μA<400μAnone<10μA非接觸IC卡Chip性能比較MemoriesCommunicateddistanceSpeedEndurancePowerConsumptionEEPROM-10cmReadfasterWriteslow104-106LargeSRAMLargeFasterCelllifetimeCellQualityDependentFeRAM50-100cmfaster>1012Lower鐵電存儲(chǔ)器(FeRAM)的電路結(jié)構(gòu)（1）1T-1C式結(jié)構(gòu)1個(gè)晶體管（場(chǎng)效應(yīng)管）和1個(gè)電容（鐵電體為介質(zhì)）組成一存儲(chǔ)器單元當(dāng)電容中有不同電荷時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管輸出不同信息鐵電存儲(chǔ)器(FeRAM)的電路結(jié)構(gòu)（2）2T-2C結(jié)構(gòu)由兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管兩個(gè)電容構(gòu)成一存儲(chǔ)器記憶單元通過(guò)比較兩邊的輸出而得出存儲(chǔ)的信息2T/2C與1T/1C比較

FeRAM器件結(jié)構(gòu)

FeRAM器件結(jié)構(gòu)SonyPS2Playstation

鐵電薄膜作為一大介電常數(shù)的電容介質(zhì)利用鐵電體大的介電常數(shù)(ε=100-2000)，代替原來(lái)用的SiO2(ε=3.9），可以減小存儲(chǔ)單元面積。SiO2~4,Ta2O5~25,Ferroelectrics~100-1000鐵電體大的介電常數(shù)可緩解為增大面積而進(jìn)行的Trenching,stacking鐵電存儲(chǔ)器(2)鐵電動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)（DRAM）DynamicRandomAccessmemory動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）電路結(jié)構(gòu)由一個(gè)MOS（Metal-Oxide-Semiconductor)場(chǎng)效應(yīng)管（FieldEffectTransistor）與一個(gè)電容器構(gòu)成該電容是由一高介電常數(shù)介質(zhì)-不是鐵電體SiO2介質(zhì)ε=3.9Ta2O5

ε=25,BST，400DRAM技術(shù)與制備步驟

鐵電納米管

鐵電納米管鐵電存儲(chǔ)器（3）1T（MFSFET）MFS(MetalFerroelectric–Semiconductor)FET在MOS中用鐵電薄膜（F）代替二氧化硅柵氧化物薄膜（O）構(gòu)成MFSFET場(chǎng)效應(yīng)管由于極化滯后，漏電流展現(xiàn)兩種狀態(tài)：開(kāi)，關(guān)讀寫(xiě)過(guò)程不需要大電場(chǎng)，在讀后也不需重寫(xiě)。設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。與存儲(chǔ)記憶有關(guān)的物理問(wèn)題

—集成鐵電物理學(xué)Fatigue(疲勞）,Retention（保持）,Imprint（印記）,DomainStructure（電疇結(jié)構(gòu)）,SwitchingProcess（開(kāi)關(guān)過(guò)程）,StressEffect（應(yīng)力效應(yīng)）,SizeEffect（尺寸效應(yīng)）,IrradiationEffect（輻照效應(yīng)）,FormingGas（形成氣氛）,HighDielectricMaterials（高介電材料）,ElectrodeEffect（電極效應(yīng)）

(Heterojunction),LeakageCurrent（漏電流）,Breakdown（擊穿）未介決的問(wèn)題O.Auciello,J.F.Scott,R.Ramesh

“PhysicsToday”July1998Whatistheultimatepolarizationswitchingspeedandwhatparameterlimitsspeed.InRAM,theultimateperformancespeedislimitednotbytheaccesstimebutbytheinterconnecttime(about200ps)takenbythecurrentfromonetransistortochargethegateofthenext.WhatisthethinnestferroelectriclayerthatcanstillyieldstablepolarizationHowdoswitchingparameterssuchascoercivefielddependonfrequencyWhataretheeffectsoffinitesizeandhowsmallcanaferroelectriccapacitorbeandstillexhibitferroelectricbehavior1.鐵電疲勞（Fatigue)剩余極化Pr隨極化開(kāi)關(guān)循環(huán)數(shù)N而逐漸減少為疲勞Pr--N鐵電疲勞與存儲(chǔ)器使用壽命直接有關(guān)，一般存儲(chǔ)器要求在109—1012次開(kāi)關(guān)后，Pr下降

<10%產(chǎn)生極化疲勞的原因Appl.Phys.Lett.73,788(1998);J.Appl.Phys.85,1746(1999);ThinSolidFilm376,185(2000)鐵電疲勞的可能起因TagantsevetalJ.A.P90,1387,(2001)疇壁釘扎機(jī)制反相疇仔晶成核抑制電子空穴從電極注入，產(chǎn)生passive表面層氧空位重新分布，造成電極界面電荷集聚，顯示”localimprint”電極面積減少引起可開(kāi)關(guān)極化的減少在大電壓下疲勞的恢復(fù)2.鐵電保持（Retention)保持是鐵電電容單元保持存儲(chǔ)在其中電荷q（1或0）的能力.

在寫(xiě)信息后，極化電荷與時(shí)間的關(guān)系Pr—t通常在105秒后，Pr損失小于5%保持損失在第一秒中達(dá)15-20%，保持性能與外加電場(chǎng)及其頻率有關(guān)保持與電疇的弱釘扎有關(guān)Appl.Phys.Lett.73,3674(1998)

SrBi2Ta2O9中的保持（Pr—t）3.印記(Imprint)電滯回線的對(duì)稱性改變，某一極化狀態(tài)剩余極化增加而在另一狀態(tài)減少，產(chǎn)生印記。產(chǎn)生印記的原因頂電極、底電極材料不同。頂電極和底電極不同熱處理經(jīng)歷使上下兩薄膜電極界面不同。制備過(guò)程中，反應(yīng)離子束刻蝕，薄膜受傷。極化過(guò)的薄膜在居里點(diǎn)以下加熱，施加直流電場(chǎng)或單向脈沖。在直流偏置場(chǎng)下用紫外光照射，都會(huì)形成印記。離子運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致缺陷對(duì)排列

4.極化開(kāi)關(guān)（Switching)在外場(chǎng)作用下，鐵電體從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)狀態(tài)的極化反轉(zhuǎn)過(guò)程為開(kāi)關(guān)。這是鐵電體作為存儲(chǔ)器的基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)變的快慢將對(duì)存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)速度有很大影響。極化開(kāi)關(guān)研究也是研究電疇的成核，成長(zhǎng)極化翻轉(zhuǎn)（新電疇成核，生長(zhǎng)）極化開(kāi)關(guān)：極化方向相反的鐵電疇成核、成長(zhǎng)、合并過(guò)程新疇首先在鐵電/電極界面成核，再向前生長(zhǎng)（速度103m/s)t=d/v=10-6m/103m/s=1ns再向側(cè)面生長(zhǎng)并合并長(zhǎng)大直至全部反轉(zhuǎn)（t=E-3/2=20nsto1μ)極化開(kāi)關(guān)研究的意義極化反轉(zhuǎn)快慢是由疇界運(yùn)動(dòng)速度（疇界動(dòng)性）決定，與材料的結(jié)構(gòu)、應(yīng)力、缺陷有關(guān)。開(kāi)關(guān)研究的意義：1。研究電疇的成核、成長(zhǎng)、合并及與材料結(jié)構(gòu)、缺陷有關(guān)，開(kāi)關(guān)動(dòng)力學(xué)。2．存儲(chǔ)器讀寫(xiě)速度。APL76,369(2001)APL80,2961(2002)5.應(yīng)力效應(yīng)(StressEffect)薄膜的應(yīng)力是薄膜中重要參數(shù)之一，它不僅影響薄膜的性能，而且影響電子器件的可靠性。應(yīng)力可改變影響膜的力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、相變性質(zhì)；造成膜開(kāi)裂和從襯底上撕裂，甚至傳到襯底永久失效；膜應(yīng)力限制了膜的厚度。應(yīng)力也將改變疇結(jié)構(gòu)；居里點(diǎn)和開(kāi)關(guān)性質(zhì)。薄膜中應(yīng)力的引入制膜過(guò)程溫度變化引入的熱應(yīng)力th=[Ef/(1-f)](f-s)(Td-T)熱膨脹系數(shù)，Ef楊氏模量，泊松比，Td沉積溫度內(nèi)應(yīng)力當(dāng)原子排列很緊密（比平衡態(tài)時(shí)）產(chǎn)生壓縮應(yīng)力當(dāng)原子排列較平衡態(tài)為松時(shí)產(chǎn)生張應(yīng)力與膜沉積過(guò)程有關(guān)：與襯底和膜之間不匹配，溫度、壓力、濃度、雜質(zhì)外應(yīng)力居里點(diǎn)相變過(guò)程引入，絕大多數(shù)膜密度增加，e=[Ef/(1-f)](V/3V)V/V膜中體積變化

Appl.Phys.Lett.76,3103,(2000);APL80,2961(2002);APL86,092904(2005)6.尺寸效應(yīng)（SizeEffect）薄膜厚度，晶粒大小對(duì)薄膜性能的影響意義：提高存儲(chǔ)密度，減少電容的尺寸，降低使用電壓，需用減少薄膜厚度。厚度減?。罕∧r減小，Ec增加晶粒減?。耗芟对龃螅鈱W(xué)性能變化尺寸效應(yīng)的機(jī)制1．界面層效應(yīng)：鐵電薄膜與電極之間有一層低介電常數(shù)的界面層，d/=d/I+d/F2．晶粒尺寸影響：疇結(jié)構(gòu)的變化（由多疇變?yōu)閱萎牐┰诖缶ЯＤさ叫【ЯＤr(shí)Phys.Rev.B54,R14337,(1996);Phys.Rev.B55,3485,(1997)3．界面層應(yīng)力：外延生長(zhǎng)薄膜有1000MP的應(yīng)力存在J.A.P.81,1392,(1997);J.A.P.83,1610（1998）7.輻照效應(yīng)(IrradiationEffect)空間使用；缺陷在鐵電記憶可靠性中的作用，研究輻照效應(yīng)是有意義的Scott:射線、X射線輻射KNO3,PZT表明輻射對(duì)PZT器件正常工作沒(méi)有影響。WuDi:C60，射線原對(duì)SBT輻照光子能量，發(fā)現(xiàn)輻照后產(chǎn)生印記。輻照量大于3.0Mrad/cm2后，和輻照前的極化狀態(tài)相反的狀態(tài)的保持能力大大下降，造成誤讀（小于PZT107rad/cm2）SBT中的陷阱較淺，疲勞和印記都可以通過(guò)飽和雙向脈沖將聚集的電荷驅(qū)散得到恢復(fù)Ferroelectrics251,37(2001)8.形成氣氛處理（FormingGas）4%-H2/N2,200C-450C,0.5h處理后，性能下降；主要機(jī)制是：沿八面體極化軸方向，在氫離子與氧離子之間[OH]-1的形成是鐵電性損耗機(jī)制這個(gè)氫氧基鍵阻止了Ti或Zr離子的開(kāi)關(guān)在FormingGas退火也導(dǎo)致大量的氧和鉛損耗，也使鐵電性減小如果氫不擴(kuò)散到鐵電表面，即可阻止[OH]-1的形成，用LSCO作為擴(kuò)散勢(shì)壘LSCO/PNZT/LSCO9.高介電材料(HighKMaterials)DRAMSiO2

ε=3.9;Gd2O314,Y2O318,Ta2O525,HfO2Al2O3,TiO2(BaSr)TiO3(BST)300-40010.電極效應(yīng)異質(zhì)結(jié)構(gòu)鐵電薄膜與電極是不同材料，在它們的界面處構(gòu)成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，帶來(lái)諸多與薄膜性能有關(guān)的問(wèn)題11.電疇結(jié)構(gòu)晶體分成若干個(gè)小區(qū)域,每個(gè)小區(qū)域內(nèi)部電偶極子沿同一方向,但各小區(qū)域中電偶極子方向不同,這些小區(qū)域稱為”電疇”或”疇”(Domain).疇的間界叫疇壁(Domainwall)。疇的出現(xiàn)使晶體的靜電能及應(yīng)變能降低,但疇壁的存在引入了疇壁能.電疇的結(jié)構(gòu)或組態(tài)，電疇的動(dòng)性對(duì)材料的鐵電性能有極大的影響．電疇結(jié)構(gòu)順電相中，有若干個(gè)方向與自發(fā)極化出現(xiàn)的對(duì)稱性等效。因?yàn)檫@些方向在晶體學(xué)上和物理性質(zhì)方面都是等同的。理想情況下，多疇晶體的對(duì)稱性等于順電相的對(duì)稱性。任何鐵電晶體中，疇間夾角等于順電相對(duì)稱等效方向間的夾角?？偟碾姰牻Y(jié)構(gòu)決定于順電相的對(duì)稱性以及自發(fā)極化的方向通過(guò)群論分析可得SrBi2Ta2O9

中五種不同的疇組態(tài)的示意圖其中，（a）反相疇；（b）180o疇；（c）90o疇；（d）180o反相疇；（e）90o反相疇。

J.ofPhys.Cond.Matt.12，3745（2000）DomainStructureinSrBi2Ta2O9Darkfieldimagewithsuperspot:“d”isanti-phaseboundaries(redlines);Theboundarybetweenwhiteanddarkis90odomain(blackline);“f”is180odomainboundary(bluelines);“e”isanti-phase+90odomain;BetweenBandC,anti-phaseboundary+180odomain.Appl.Phys.Lett.,Vol76(1),103(2000).

BTO、BLT、BNT、和BTO-Nb疇結(jié)構(gòu)(a)BTO的（020）暗場(chǎng)像

(b)BLT的(031)超斑點(diǎn)暗場(chǎng)像

(c)BNT的(031)超斑點(diǎn)暗場(chǎng)像

(d)BTO-Nb0.03的(111)暗場(chǎng)像

11.存儲(chǔ)器應(yīng)用中對(duì)材料性能要求一。非揮發(fā)鐵電存儲(chǔ)器（NV-FRAM）1。大的剩余極化

(Pr>10μC/cm2)，提供足夠電荷到讀出放大器2。低的矯頑場(chǎng)EC<100kV/cm3。好的抗疲勞特性。>1010開(kāi)關(guān)循環(huán)4。好的保持特性。>105

秒5。低的漏電流。

<10-8A/cm26。無(wú)印記現(xiàn)象存儲(chǔ)器應(yīng)用中對(duì)材料性能要求二。動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）1。高介電常數(shù)（在25nm時(shí)至為25）2。低漏電電流IL<100nA/cm2--1A/cm23。擊穿電壓>100MV/M4。在襯底上低的擴(kuò)散率5。制備中低的污染FeRAM應(yīng)用中現(xiàn)有材料的不足PbZrxTi1-xO9(PZT)Pr大，制備溫度低(500-600oC)在Pt電極下疲勞（<106次），Pb污染SrBi2Ta2O9(SBT)

（Nature374,627,1995)在Pt電極下不疲勞，無(wú)Pb污染Pr小，制備溫度高（750-8000C）對(duì)原有材料改性，發(fā)現(xiàn)新材料仍是當(dāng)務(wù)之急Memorymaterials：

ABO3typePerovskite（PZT）MemoryMaterials:

Layer

StructurePerovskite

(Aurivillius)Bi4Ti3O12(BiT)and

SrBi2Ta2O9(

SBT）Bi4Ti3O123layersOxygenOctahedron(m=3)SrBi2Ta2O92layersOxygenOctahedron(m=2)BLSFs

(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-Where:

A=Sr2+,Ba2+,Bi3+etal，

B=Ti4+,Ta5+,Nb5+etal，

m=1,2,3,4,5…etal。

FeRAM

材料性能的比較

PZTSBTBLTBT-SBT2Pr(μC/cm2)20-704-1616-2030FatiguePoorGoodGood?Leakage5v/A/cm210-710-910-7?Fab.tem.oC500-600700-850650-700650?VolatilePbBiBiBi鐵電存儲(chǔ)用新材料Bi系層狀鈣鈦礦Bi4Ti3O12：大的自發(fā)極化，低制備溫度，高TC，無(wú)鉛污染

Bi1-xLaxTi3O12（BLT）(Nature401,682,1999)材料改性及新材料制備的方法1，摻雜2，替代3，共生4，固溶5，在搞清各組成元素作用的基礎(chǔ)上進(jìn)行材料設(shè)計(jì)Bi3.25La0.75Ti3O12Bi3.15Nd0.85Ti3O12

Bi3.54Nd0.46Ti3O12Bi3.25Pr0.75Ti3O12Bi3.87Sm0.13Ti3O12Bi4Ti3-xNbxO12Bi4Ti3-xVxO12Bi4Ti3-xWxO12Bi4Ti3-xZrxO12Bi4Ti3-xMoxO12Bi4-xLax(Ti1-yNby)3O12Bi4-xNdx(Ti1-yVy)3O12Bi4-xLax(Ti1-yTay)3O12在

Bi4Ti3O12的Ａ，Ｂ位替代（摻雜）Co-substitutingatAsiteanddopingatBsiteSubstitutingatAsite:dopingatBsite共生固熔兩結(jié)構(gòu)相近，性能互補(bǔ)的材料

SrBi2Ta2O9–BiTiTaO3＊SrBi2Ta2O9Pr,Tc低;抗疲勞性好，三層鈣態(tài)礦結(jié)構(gòu)＊BiTiTaO3

Pr,Tc

高，抗疲勞性差三層鈣態(tài)礦結(jié)構(gòu)

研究的工作內(nèi)容研究FeRAM用層狀鈣鈦礦材料中鐵電材料中各元素對(duì)材料的結(jié)構(gòu)，微結(jié)構(gòu)，性能的影響。A，B位元素在鐵電極化，鐵電開(kāi)關(guān)疲勞中的作用，探索鐵電記憶新材料的設(shè)計(jì)與制備。新一代存儲(chǔ)器鐵電存儲(chǔ)器(FeRAM)磁存儲(chǔ)器(MRAM)相變型存儲(chǔ)器(PRAM)鐵電存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn)FeRAM

參數(shù)鐵電存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn)磁存儲(chǔ)器（MRAM）磁存儲(chǔ)器（MRAM）磁存儲(chǔ)器（MRAM）磁存儲(chǔ)器（MRAM）磁存儲(chǔ)器（MRAM）磁存儲(chǔ)器（MRAM）相變型存儲(chǔ)器（PRAM)相變型存儲(chǔ)器（PRAM)相變型存儲(chǔ)器（PRAM)相變型存儲(chǔ)器（PRAM)相變型存儲(chǔ)器（PRAM)相變型存儲(chǔ)器（PRAM)相變型存儲(chǔ)器（PRAM)相變型存儲(chǔ)器（PRAM)三種存儲(chǔ)器的比較三種存儲(chǔ)器的比較未來(lái)的展望

謝謝！83593202(O)/p>

jszhu@釹摻雜Bi4Ti3O12薄膜的性能結(jié)構(gòu)、鐵電、介電性能和漏電流溶液配制溶質(zhì)硝酸鉍（過(guò)量10-mol%） 98%硝酸釹 99%鈦酸丁脂 98%溶劑醋酸濃度 0.1mol/LMOD方法制備薄膜轉(zhuǎn)速 4000rpm旋轉(zhuǎn)時(shí)間 25秒烘干溫度 4000C烘干時(shí)間 120秒加速時(shí)間 5秒晶化溫度 7000C晶化時(shí)間 60分鐘后退火時(shí)間與剩余極化的關(guān)系后退火時(shí)間（分鐘）剩余極化（μC/cm2

）026.9324526.49391030.29441523.4243

XRD譜不同Nd摻雜對(duì)晶格取向和結(jié)構(gòu)的影響不大晶格間距(117)峰隨Nd的摻入量的增大，(117)峰的晶格間距變小。晶格參數(shù)的計(jì)算a(?)b(?)c(?)β05.70415.698732.784489.85640.855.60595.580332.879389.8121解釋隨著Nd的摻入，鈦氧八面體在a-b平面的扭轉(zhuǎn)發(fā)生了變化。Nd摻雜的BiT材料的大的剩余極化也源于此疲勞結(jié)果頻率100kHz幅度200kV/cm經(jīng)過(guò)1.44×1010次翻轉(zhuǎn)，疲勞小于10%保持測(cè)試具有良好的保持特性保持時(shí)間105

秒得到Pr=27μC/cm2開(kāi)關(guān)1.44*1010次不疲勞可用于FeRAM的薄膜

Chin.Phys.Lett.21,544,(2004)La,Nb共摻的Bi4Ti3O12的性能

制備，結(jié)構(gòu)，鐵電性能，疲勞特性，摻雜機(jī)理A位La，B位Nb摻雜的薄膜用PLD方法制備了BiT,BLT,BTN0.018

Bi1-xLaxTi0.982Nb0.018

-O12薄膜的XRD圖不同Nb含量的Bi4-x/3Ti3-xNbxO12

薄膜和陶瓷Bi3.25-x/3La0.75Ti3-xNbxO12

薄膜的剩余極化值(a)在外電場(chǎng)為450kV/cm下測(cè)量到的BTO,BLT,BTN0.018

和BLTN0.018薄膜的電滯回線圖。

(b)BiT,BLT,BTN0.018

和BLTN0.018

薄膜的Pr

和

Ec。BiT,BLT,BTN0.018

和BLTN0.018

薄膜

的疲勞性能Bi4-x/3Ti3-xNbxO12(x=0.03,0.06and0.09)和Bi3.25-x/3La0.75Ti3-xNbxO12(x=0.03,0.06and0.09)薄膜的疲勞性能。BTN和BLTN薄膜的疲勞比較BTO44%BTN0.01860%BTN0.0360%BTN0.0652%BTN0.0956%BLT10%BLTN0.01827%BLTN0.0313%BLTN0.0459%BLTN0.06無(wú)疲勞BLTN0.09無(wú)疲勞BLTN0.018

薄膜的保持性能A位摻雜的機(jī)理普遍認(rèn)為氧空位的運(yùn)動(dòng)能夠?qū)е潞軓?qiáng)的疇釘扎，從而使疲勞性能變差.丁勇提出了反相疇的理論,他在BLT和SrBi2Ta2O9(SBT)中看到了反相疇，但是在BTO中卻沒(méi)有，所以認(rèn)為反相疇能提供在極化翻轉(zhuǎn)過(guò)程中極化疇的新核生長(zhǎng)點(diǎn)。蘇東等人在觀察了Bi3TiTaO3(BTT)和SBT陶瓷的疇結(jié)構(gòu)以后，推斷彎曲的90o疇同樣能夠增加疇的動(dòng)性，從而提高SBT疲勞性能！在BTO陶瓷中我們觀察到了弛豫峰。我們對(duì)La含量為0.5,0.75和1的BLT陶瓷進(jìn)行了介電測(cè)量，發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的激活能從0.69提高到0.83。結(jié)果表明在外電場(chǎng)下隨著La的增加氧空位躍遷越困難，疇釘扎減少，疲勞性能變好。我們認(rèn)為當(dāng)M3+(La3+,Sm3+,Nd3+,Pr3+)離子摻雜進(jìn)入BTO薄膜后，M3+和Bi3+半徑的不同能產(chǎn)生反相疇和彎曲的90o疇，從而提高抗疲勞性能B位摻雜的機(jī)理以前的工作都把摻雜后BTO的Pr歸功于氧空位濃度的減少。另外一個(gè)可能的原因是進(jìn)入B位的Nb5+離子替代了半徑較小的Ti4+離子，這樣引起了氧八面體的結(jié)構(gòu)畸變，因此提高了Pr。我們得到了Bi4-x/3Ti3-xNbxO12（x=0,0.018,0.03,0.06,0.085和0.01）的Raman譜，與TiO6八面體有關(guān)的270,540和820cm-1振動(dòng)的強(qiáng)度和頻率隨著Nb含量的增加都幾乎沒(méi)有變化。這個(gè)結(jié)果表明Nb的摻入并沒(méi)有引起氧八面體的結(jié)構(gòu)畸變，因此氧空位濃度的減少可能是剩余極化提高的主要原因。La,Nb共摻的Bi4Ti3O12的薄膜得到性能良好的可用于FeRAM的Bi1-xLaxTi0.982Nb0.018

O12薄膜SolidStateComm.129,775(2004)

鐵電體微結(jié)構(gòu)的電鏡研究試樣制備，電鏡觀察，疇結(jié)構(gòu)及鐵電疲勞關(guān)系鐵電體微結(jié)構(gòu)的電鏡研究名稱縮寫(xiě)/m數(shù)材料名稱原料燒結(jié)溫度(oC)BW(m=1)Bi2WO6B+WO3940CBT(m=2)CaBi2Ta2O9B+CaO+Ta2O51250SBT(m=2)SrBi2Ta2O9B+SrO+Ta2O51230BBT(m=2)BaBi2Ta2O9B+BaO+Ta2O51050BTT(m=2)Bi3TiTaO9B+TiO2+Ta2O51200BTN(m=2)Bi3TiNbO9B+TiO2+Nb2O51180BTO(m=3)Bi4Ti3O12B+TiO21050BLT(m=3)Bi3.25La0.75Ti3O12B+TiO2+La2O31240BNT(m=3)Bi3.15Nd0.85Ti3O12B+TiO2+Nd2O31270BTO-Nb0.03(m=3)Nb0.03-dopedBi4Ti3O12B+TiO2+Nb2O51120SBTi(m=4)SrBi4Ti4O15B+TiO2+SrO1100SBTi-BTO(m=4，3)Bi4Ti3O12-SrBi4Ti4O15B+TiO2+SrO1110SBTi-BLT(m=4，3)Bi3.25La0.75Ti3O12-SrBi4Ti4O15B+TiO2+SrO+La2O31110SBT-BTN(m=2)(SrBi2Ta2O9)-(Bi3TiNbO9)B+TiO2+SrO+Ta2O5+Nb2O51280BTO、BLT、BNT、和BTO-Nb疇結(jié)構(gòu)(a)BTO的（020）暗場(chǎng)像

(b)BLT的(031)超斑點(diǎn)暗場(chǎng)像

(c)BNT的(031)超斑點(diǎn)暗場(chǎng)像

(d)BTO-Nb0.03的(111)暗場(chǎng)像

相變型存儲(chǔ)器（PRAM)BW中的反相疇：(a)是BW(210)超斑點(diǎn)暗場(chǎng)像，（b）是同一區(qū)域的(220)普通斑點(diǎn)暗場(chǎng)像。大量晶粒研究表明沒(méi)有發(fā)現(xiàn)90o疇界的存在m=4的SBTi的超斑點(diǎn)暗場(chǎng)像疇結(jié)構(gòu)研究小結(jié)首次被研究的m=1的BW中存在反相疇而不存在90o疇。

研究了m=2的同族化合物CBT、SBT、BBT的疇結(jié)構(gòu)，相對(duì)于SBT，CBT的90o疇界平直，密度較小；反相疇存在于CBT和SBT中；BBT在室溫下為