铁电存储器用钛酸铋材料的第一性原理计算及电导机制分析

题名:铁电存储器用钛酸铋材料的第一性原理计算及电导机制分析
作者:刘芬
学位授予单位:湘潭大学
关键词:密度泛函理论;;第一性原理;;钛酸铋;;漏电流
摘要:

 铁电存储器以其非挥发性(即使在电源突然断开的时候芯片仍能保存存储在其中的信息)、高写入速度、低功率消耗、低的操作电压、高重复读写能力以及优异的抗辐射等优越的性能,成为存储器领域最具发展潜力的产品。而铁电材料的选择是其实现商业化应用的关键。在铁电材料中,使用最多的是钙钛矿结构铁电如Pb(Zr_xTi_(1-x))O_3(PZT)和铋层状结构铁电如SrBi_2Ta_2O_9(SBT),但是PZT材料,它含有有毒元素铅,对环境有污染,且抗疲劳性较差;SBT材料,虽然抗疲劳性好,但是制备温度过高,很难与大rare earth magnets规模集成器件集成。因此,寻找适合铁电存储器用的新型铁电材料成为研究热点之一。

 近年来,掺杂的钛酸铋材料因其无铅特性,大自发极化,低处理温度,高居里温度,以及优异的抗疲劳特性受到了人们的广泛关注。实验上,人们提出了A位掺杂、B位掺杂,以及A,B位共掺杂的方法,来提高BIT的铁电性能,并取得了一定的成效。但其掺杂的内部的机理却并不明朗。

 在BIT器件的应用过程中,实验上观测到器件的漏电流比较大,成为限制它应用的一个主要因素。人们对于BIT的漏电流属性在实验和理论方面都做了研究。实验上,A,B位共掺杂的方法,被认为是改善其漏电流属性的有效方法之一。在理论方面,研究结果表明,漏电流与Bi~(3+)离子的挥发及氧空穴有关,并且材料中存在的杂质也被认为是产生漏电流的原因之一。人们也相应地提出很多的理论模型去解释实验上观测到的实验现象,但是其真正的内在机制还是存在争议。而当器件的漏电流过大时,就会影响到极化翻转的测量,严重时甚至会导致铁电存储器件的短路,导致存储失败。因此弄清BIT的电导机制,改善漏电流属性尤为重要。

 本论文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,结合赝势投影平面波(PP-PAW)方法,针对BIT铁电体铋层状钙钛矿结构http://www.chinamagnets.biz/的总能和电子结构等物理性质系统地进行了理论研究,并取得了以下主要成果:

 1)总能和电子结构的计算结果表明,BIT铁电相的稳定性主要源自于Bi_2O_2层和Bi_2Ti_3O_(10)钙钛矿层的畸变以及它们之间相互耦合作用释放出来的弛豫能;BIT产生铁电性质的主要原因是源自于B位的Ti离子和O离子之间存在强烈的杂化;而A位的Bi和O之间存在的较弱的共价杂化则进一步促进了铁电相的稳定。

 2)由电荷密度和AIM理论计算的迁移电荷结果表明,BIT的结构畸变和铁电性质的主要诱导因素来源于B位Ti离子和O之间以及Bi和O之间的共价杂化作用;而B位Ti离子和O之间的共价杂化是产生畸变的主导因素。

 3)将第一性原理计算得到的铁电相BIT的能带结构,与MIGS理论相结合,我们计算得到了BIT与Pt电极相接触时产生的肖特基势垒的高度,其值为1.26 eV,如此大的势垒足以抑制从金属向BIT导带的发射肖特基电流,这也就意味着在BIT的电导机制中,界面限制肖特基发射机制是不占主导地位的。

 4)在实验方面,我们对提取的实验数据用界面限制肖特基发射机制公式来进行拟合,证明了我们的计算结果的正确性。而肖特基发射机制是一种最接近本征的电导机制,也说明了BIT中漏电流可以通过掺杂或改善实验条件来减小。
学位年度:2010