钛酸铅陶瓷的介电和极化翻转特性研究

以水热纳米粉为前驱粉料,采用传统烧结工艺在950℃制备了致密性高、具有亚微米尺寸晶粒的钛酸铅(PbTiO3)陶瓷,并对其介电温谱和压电响应特性进行了系统的研究。结果表明,PbTiO3陶瓷在低温下的相对介电常数与测试频率无关,在室温以上,随着频率的增加,介电峰值向低温方向移动;压电力显微镜研究结果显示PbTiO3陶瓷中具有明显的微区极化翻转,表明具有较好的铁电性能。

Pb过量对以Ti-Al为阻挡层的硅基铁电电容器极化翻转性能的影响

以射频磁控溅射法生长的La0.5Sr0.5CoO3(LSCO)为电极,采用溶胶-凝胶法在以Ti-Al为导电阻挡层的Si基片上生长了用不同Pb过量前驱体溶液(溶胶)制备的LSCO/Pb(Zr0.4Ti0.6)O3(PZT)/LSCO电容器,以此构造了Pt/LSCO/PZT/LSCO/Ti-Al/Si异质结。Pb过量对LSCO/PZT/LSCO电容器极化翻转性能的影响表明:不同Pb过量溶胶对电容器的极化翻转性能影响很大,其中Pb过量15%的溶胶制备的样品在550℃常规退火1 h后相对具有较好的翻转性能。在5 V的外加电场下,LSCO/PZT/LSCO电容器的矫顽电压和剩余极化强度分别为1.25 V和24.6μC/cm2。疲劳和电阻率测试分析表明:在经过109翻转后,不同样品的抗疲劳性能均很好,而电阻率随前驱体溶液Pb过量的增加呈现下降的趋势。

一阶回转曲线图谱法及其在HfO_(2)基铁电薄膜极化翻转行为研究中的应用

铁电材料的极化翻转特性是铁电存储器实现"0,1"信息读写的物理基础,因此极化翻转的稳定性直接决定器件的服役可靠性.在交变电场循环载荷下,HfO_(2)基新型铁电薄膜存在唤醒(wake-up)、疲劳(fatigue)和极化翻转电流峰分裂(split-up)等极化翻转不稳定现象,严重制约了其在铁电存储器件中的实际应用.探明极化翻转行为复杂演变的微观机制,从而提出优化稳定性的可行措施是目前工作的重难点,但是基于传统测试手段的研究难以解决上述问题.一阶回转曲线图谱法被誉为迟滞系统研究中的"指纹鉴定",已在磁性材料特征参数演变规律的解析中得到成功应用.本文首先介绍一阶回转曲线图谱法的基本原理和实现方法,接着以Si掺杂HfO_(2)铁电薄膜为实验对象,利用该方法获得了薄膜内电畴极化翻转特征临界场的分布密度随外场加载历史的演变,为理解铁电材料的极化翻转行为提供了重要的微观物理机理信息.

HfO2基铁电薄膜在循环电场载荷下的极化翻转行为

二氧化铪(HfO2)铁电薄膜具有优秀的CMOS工艺兼容性,10 nm以下工艺制程的微缩能力,可采用原子层沉积(ALD)技术实现在3D电容器结构中的保型生长,因此在实现低功耗、高集成密度的非易失性存储器应用方面显示出巨大的潜力.该文首先简要回顾了HfO2基铁电薄膜的发现过程和随后的国内外研究现状,然后以Si掺杂HfO2铁电薄膜在循环电场载荷下的实测结果为例,介绍了这一新型铁电材料极化翻转行为中出现的唤醒(wake-up)、疲劳和饱和极化翻转电流峰劈裂等效应,分别总结了对上述现象现有的实验和理论研究进展.

铁电双层膜中的极化翻转与极化梯度

从Ginzburg-Landau方程出发,引入自发极化梯度项,研究了铁电双层膜的电滞回线,采用平均极化来反映膜的性质.结果表明:在场强较大的情况下,两膜的平均极化与电场方向一致;在场强较小的情况下(E=-8.00×107V·m-1),膜1发生极化翻转,界面耦合占主导地位.这些新现象为设计具有多个存储态计算机存储单元提供了可能.

37BiScO_3-63PbTiO_3铁电陶瓷的极化翻转行为研究

在正弦电场E=E0sin(2πft)加载下,通过改变电场E0(5—55kV/cm)和频率f(0.1—100Hz),测量了37BiScO3-63PbTiO3铁电陶瓷材料的电滞回线.数据拟合结果表明:在低电场和高电场阶段,剩余极化强度Pr的对数和矫顽场强Ec的对数都与电场强度E0的对数存在线性关系,而介于高电场与低电场之间则无线性关系存在,这种三阶段行为有别于现有的两阶段行为.这可归结于铁电陶瓷在不同的电场作用下铁电极化机理的不同.

铁电材料的极化疲劳:基本机理和最新进展(英文)

简要回顾了铁电材料中极化疲劳现象的基本机理和最新进展。详细地介绍了作者和其合作者最近创立的LPD-SICI模型(LPD-SICI是指极化翻转引起的电荷注入导致的局域相分离)。LPD-SICI模型认为导致铁电材料中极化疲劳的主要原因是:在极化翻转早期形成的针状畴顶端的非屏蔽束缚电荷在电极-薄膜界面处会导致强烈的电荷注入(主要是电子),引起局域的焦耳热,最后在畴成核位置引发局域相分离。通过回顾过去几年在铁电材料电学极化疲劳方面实验研究的最新进展,得出LPD-SICI模型与过去三年中文献上发表的大多数实验观测相一致,并可以解释这些现象的起因。因此,极化翻转导致的局域相分离可能是各种类型铁电材料极化疲劳的共同起因。

铁电聚合物P(VDF-TrFE)纳米结构阵列的构筑及其在有机聚合物太阳能电池中的应用

采用两步阳极氧化法制备了孔径均匀的多孔阳极氧化铝(AAO)模板,利用纳米压印技术构筑了高度规整的聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物P(VDF-Tr FE)纳米结构阵列,并通过压电力显微镜(PFM)直观地观测P(VDFTr FE)纳米结构阵列的极化翻转行为,结果表明具有择优取向的P(VDF-Tr FE)纳米结构阵列具有较低的矫顽场.将这一结构应用到聚合物太阳能电池正极与半导体聚合物层间,并成功通过外部极化电场的变化实现了对太阳能电池效率的调控.通过对太阳能电池性能的测试发现,不同的极化方向对太阳能电池效率具有十分重要的影响,其中当铁电层呈现电负性时,器件的光电转化效率提高了25%.

双轴应变调控二维单层C_(2)X_(2)TM(X=O,H;TM=Fe,Cr)的多铁性研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算,系统地研究了过渡金属原子插层的单层氧化/氢化石墨烯的磁学性质和铁电性质.在考虑了电子在位库仑作用和自旋轨道耦合作用下,得到了过渡金属Fe、Cr插层形成的C_(2)X_(2)TM二维单层膜的稳定结构以及基态磁性结构,研究了不同应变作用下C_(2)X_(2)TM的磁性、能带、铁电极化以及电子结构的变化.结果发现,对于任何应变下的C_(2)X_(2)TM其基态磁性都为手性逆时针反铁磁结构.在无应变时体系存在一个较大的离子翻转势垒,通过外加双轴应变,可有效调控体系的势垒高度和能隙,发现25%应变下C_(2)O_(2) Cr和30%应变时C_(2)O_(2) Fe单层薄膜具有与GeS等二维铁电材料相近的铁电极化和翻转势垒,这些研究结果表明C_(2)O_(2) Fe(Cr)单层薄膜是一种新型二维多铁性材料.

Nd∶BiFeO3/Nb∶SrTiO3异质结的电阻变换效应

研究了Nd∶BiFeO3（NBFO）/Nb∶SrTiO3（NSTO）异质结构的电阻变换效应并讨论其铁电阻变换机理。利用脉冲激光沉积（PLD）法在NSTO单晶衬底上生长了NBFO薄膜,并构筑了Pt/NBFO/NSTO异质结构。该异质结器件在电压脉冲扫描下显示出双极性的电阻变换效应,并且具有长时间的数据保持能力。且改变脉冲电压的大小可获得多级电阻态,在多级非易失性存储器方面有着较高的潜在应用价值。对其电输运特性的分析表明,该异质结电阻变换可能来源于NBFO的铁电场效应作用,从而改变NBFO/NSTO异质结的耗尽层宽度和势垒高度以实现电阻变换。