铁电薄膜辐射效应的多尺度模拟研究

Ferroelectric thin film is an important kind of functional material for informatics. The excellent resistance to radiation makes ferroelectric devices especially suitable for national defence application such as space navigation, outer space exploration and nuclear exploding. Scientists focus on the structure damage, property degradation and failure mechanism of ferroelectric thin film materials and devices under the radiation of energic particles. Computer simulation combined with few irradiation experiments is the economic and effective method, because computer simulation has the low-cost, easily implementing and widely adjustable advantage. This project applies micro-meso-macro multiscale simulation which integrates molecular dynamics, Monte Carlo simulation and finite element method to simulate the structure damage, property degradation of ferroelectric thin film materials under the radiation of energic neutron, proton, electron beam and gamma ray, analyse the micro and macro mechanism of radiation effects, and investigate the failure mechanism. It will be helpful to develop radiation hardened technology of high property ferroelectric devices, and will offer the theoretic foundation of evaluating safety and reliability of ferroelectric devices under radiation.

铁电薄膜材料是一类重要的信息功能材料，由于它具有抗辐射能力强的优点，在航天航空、太空探测、核爆炸等国防尖端领域有重要的应用前景。铁电薄膜材料及器件在各种高能粒子辐射作用下的结构损伤和性能变化以及失效机理成为人们关注的科学问题。计算机模拟技术相对实验方法有成本低廉、易于实施、变化范围广等优点，通过计算机模拟结合少量的辐照实验是研究铁电薄膜材料辐射效应的有效途径。本项目有机地结合分子动力学、蒙特卡罗和有限元方法，从微观-介观-宏观多尺度地模拟铁电薄膜材料在中子、质子、电子和伽马射线作用下的结构损伤和性能变化，分析铁电薄膜材料辐射效应的宏微观机理，探索其失效机制，为发展铁电薄膜及器件的抗辐射加固技术，为研制高性能铁电器件并评估其安全性和可靠性提供理论依据。

铁电薄膜材料是一类重要的信息功能材料，由于它具有抗辐射能力强的优点，在航天航空、太空探测、核爆炸等国防尖端领域有重要的应用前景。铁电薄膜材料及器件在各种高能粒子辐射作用下的结构损伤和性能变化以及失效机理成为人们关注的科学问题。计算机模拟技术相对实验方法有成本低廉、易于实施、变化范围广等优点，通过计算机模拟结合少量的辐照实验是研究铁电薄膜材料辐射效应的有效途径。在计算方面我们结合分子动力学、蒙特卡罗和有限元等多种方法，跨尺度地模拟铁电薄膜材料在辐射作用下结构的损伤和性能的改变，进而建立了铁电薄膜场效应晶体管的辐照效应理论模型，揭示了辐照性能退化的物理机制：即辐照诱导的氧俘获电荷和界面电荷。我们还模拟了铁电薄膜场效应晶体管在重离子辐照下的单粒子效应，发现铁电薄膜场效应晶体管的辐照瞬态效应仅为传统的金属氧化物半导体晶体管的20%。实验方面我们制备出了STO、BNT等多种铁电薄膜，成功制备了铁电薄膜场效应晶体管，并且进行了铁电薄膜场效应晶体管在60Co 伽马射线下的辐照总剂量实验，实验结果表明用于非挥发性存储器的铁电薄膜场效应晶体管在非常强的辐照或者长时间辐照下，其稳定性和可靠性都变得不可控，需要研究抗辐射加固技术。通过本项目我们在著名学术刊物Appl. Phys. Lett.，Sci. Rep.，J. Appl. Phys.等发表论文23篇，系统地分析了铁电薄膜材料辐射效应的宏微观机理，探索了失效机制，为发展铁电薄膜及器件的抗辐射加固技术，为研制高性能铁电器件并评估其安全性和可靠性提供理论依据。