铁电薄膜及其存储器中界面与应变效应的研究

无铅铁电薄膜存储器具有非挥发、存储密度高和优异的抗辐射性能等突出优点，是信息高新技术研究的前沿和热点之一。本申请项目以新型无铅铁电薄膜存储器为研究对象，针对它的疲劳、印记和保持性等关键科学问题，提出铁电薄膜存储器的关键问题不是一个简单的"材料"问题，而是一个"器件"问题，即是五个物理量即极化、应力、应变、电场和漏源电流之间耦合的问题。基于此，本申请项目从理论和实验两个方面研究无铅铁电薄膜存储器的界面与应变效应：揭示铁电薄膜存储器中的多变量耦合关系及界面和应变在铁电存储器中的作用机理，发展器件的电畴、应变、缺陷、漏源电流变化的实验测量方法及手段。得到一套适用的实验技术和理论分析方法，为提高存储器件的可靠性提供理论和实验指导。本申请项目属于材料、力学和器件交叉领域，其深入研究使力学工作者在材料和器件失效及性能的改善等方面可能会有所作为。

本申请项目以新型无铅铁电薄膜存储器为研究对象，紧紧围绕铁电薄膜及其存储器中界面与应变效应进行了一系列研究，主要工作概括如下：.1.建立了完整的铁电存储器中界面缺陷、畴演化和应变分布的实验观测手段。我们的主要思路是从介观和微观的角度，实时观测畴的演化、原子尺度上获得缺陷和应变的定量清晰图像，为建立铁电宏观性能和微观结构之间联系奠定坚实基础。首先从介观上，我们利用压电力响应显微镜(PFM)系统研究了铁电薄膜及存储器结构中压电响应、畴的翻转、保持性能，基于PFM的结果我们可以判断出样品的翻转特性、畴的稳定性，并能初步分析出内建电场、退极化场以及畴的类型对性能的影响。在微观上，我们利用扫描探针技术结合透射电镜和超高分辨的透射电镜，实时观测畴在电场作用下的演化，并用超高分辨透射电镜原子尺度研究了缺陷的构型、缺陷引起的应变分布、畴壁的构型和畴壁处的应变分布。.2.揭示了铁电薄膜界面和应变效应的物理机制, 构建了铁电存储器中“器件多变量耦合关系”理论模型。基于相场理论和有限元计算，我们建立了铁电存储器中的源漏电流与铁电极化、温度、应变、电场之间的关系的理论模型。这个模型不仅能在一定程度上预测铁电存储器在温度场、退极化场作用下的失效，而且能指导实验上利用应变工程、界面工程优化实验。我们的模型表明，适当的引入压应变，有利于提高存储器的保持性。特别地，我们建立的挠曲电力-电耦合模型，准确的模拟了力场作用下铁电畴的演化过程，为“力写电读”新型铁电存储提供了理论支持。.3.发展了基于界面工程、应变工程和畴工程的铁电存储器用薄膜材料和器件设计方法。基于第一性原理计算，我们系统研究了钙钛矿结构的材料中自发极化的应变效应、氧空位缺陷以及铁电/电极界面类型(终断面、电极类型)对铁电畴、极化稳定性的影响。我们的计算结果全面的指导了材料的选择，终断面的设计、界面的设计。在计算结果的指导下，我们成功的实现了氧空位对铁电薄膜中复杂畴的构型和畴的翻转的调控。实验结果表明，铁电/绝缘层界面处氧空位浓度可以直接调控铁电薄膜内部的内建电场，而这一内建电场和铁电/电极处Schottky势垒耦合直接调控了铁电多层膜中的极化翻转和保持性能。在该项目的资助下，共在影响因子3.0以上的SCI源刊上发表论文23篇；申请国家发明专利7项，授权3项；研究团队入选教育部创新团队；项目组成员钟向丽获得湖南省杰出青年基金。