铁电薄膜漏电流的应变和掺杂调控

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铁电薄膜的厚度尺寸为纳米级时,其漏电流的大小会直接影响着铁电薄膜的保持性能、疲劳、老化,等等,从而阻碍铁电薄膜及其器件的实用化发展进程。因此,我们要寻找合适的方法来降低铁电薄膜的漏电流。在铁电薄膜制备过程中,应力不可避免的会存在于薄膜与衬底及电极之间,它的存在对铁电薄膜的制备和性能有很大的影响,对应力的掌握有助于我们合理地利用应变来控制铁电薄膜的漏电流。另外,氧化物材料中会存在氧空位,氧空位会影响铁电薄膜的漏电流,而掺杂是改善铁电薄膜性能的有效方法。因此,为了寻找抑制铁电薄膜漏电流,提高铁电薄膜及铁电存储器性能的方法,我们从应变和掺杂两方面着手来研究它们对铁电薄膜的漏电流的调控作用。  1、铁电薄膜漏电流的应变调控:基于密度泛函理论的第一性原理并结合非平衡格林函数,探讨了应变对BaTiO3铁电薄膜漏电流的影响规律。研究表明,压应变能有效的抑制BaTiO3铁电薄膜漏电流,特别是当压应变为4%时,其漏电流将相对无应变状态降低了近10倍。通过考察体系的透射系数和电子态密度,我们发现:一方面压应变状态下铁电隧道结的透射几率要比张应变时小,特别是在费米面附近;另一方面随着张应变过渡至压应变时,价带的位置逐渐向低能区移动而导带向高能区移动,导致了它们带隙的增大,从而有效抑制了漏电流。本研究为寻找抑制铁电薄膜漏电流,提高铁电薄膜及铁电存储器的性能提供合适的方法。  2、掺杂对氧空位引起的铁电薄膜漏电流的影响:我们首先探究了氧空位位置对PbTiO3薄膜漏电流的影响,然后对存在氧空位的PbTiO3铁电薄膜进行掺杂,来讨论掺杂对氧空位引起的PbTiO3薄膜漏电流的影响。研究结果表明: Fe元素和Al元素掺杂会使PTO铁电薄膜的漏电流增大,而Cu元素掺杂可以减小PTO铁电薄膜漏电流,从而提高铁电薄膜的保持性能。另外,Cu掺杂可以使其附近的氧空位形成能降低,从而更容易将氧空位钉扎在Cu元素掺杂位置的附近,有效的提高了铁电薄膜的抗疲劳性能。这些结论对提高铁电薄膜及铁电存储器的性能,有重要的理论意义和应用价值。
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