相场模拟斜切基底界面应力集中对PbTiO3薄膜畴翻转的影响

蒋丽梅，汤济宇，周益春，郭莉莉

(湘潭大学低维材料及其应用技术教育部重点实验室，湘潭411105)



相场模拟斜切基底界面应力集中对PbTiO3薄膜畴翻转的影响

蒋丽梅，汤济宇，周益春，郭莉莉

(湘潭大学低维材料及其应用技术教育部重点实验室，湘潭411105)

为提高铁电薄膜的电性能，建立了一个相场理论模型,系统研究了斜切基底对铁电薄膜电畴结构及电学性能的调控机理。利用该模型，分别研究了PbTiO3在平面基底和倾角为2°，4°，6° SrTiO3斜切基底上的电学性能。模拟结果表明：生长在斜切基底上的铁电薄膜中的应力分布、电畴结构及畴翻转不同于生长于平面基底上的铁电薄膜。在斜切基底的束缚作用下，铁电薄膜内靠近斜切台阶处产生了应力集中，产生的非均匀应变是改变铁电薄膜性质的主要因素。在台阶高度固定的情况下，PbTiO3铁电薄膜矫顽场随斜切基底的倾角增大而变大，极化稳定性增强。

铁电薄膜；界面效应；相场模拟；斜切基底

铁电薄膜存储器由于具有低能耗、非挥发性、高读写速度 (<20 ns)、低电压 (3～5 V)、抗疲劳 (1010～1013次)及抗辐射性能好等优点，被认为是一类具有极大发展潜力的非挥发性存储器件。随着薄膜制备技术的发展以及铁电器件的日趋纳米化，铁电薄膜的界面问题和应变效应变得相当突出。铁电薄膜的界面问题一直被认为是造成铁电失效的重要原因之一，如在铁电薄膜的生长、加工和使用过程中，薄膜的界面处往往特别容易形成晶格缺陷[1-2]，而且电极与铁电薄膜不同功函数也会导致铁电薄膜在界面处存在电子耗尽层以及界面处电极不完全屏蔽产生的退极化。这些界面问题将使铁电薄膜出现疲劳、印记及保持性损失等失效形式。要使铁电薄膜存储器替代现有的Flash、DRAM等存储器成为主流存储器，则必须先解决铁电存储器中存在的失效问题。应变工程已在电子工业界得到广泛采用，以规避晶体管等比例缩小的极限。在非易失性存储器中引入应变，可以提高沟道载流子迁移率，降低泄漏电流，提高数据保持性，针对铁电薄膜，可通过基底控制薄膜生长方式、内部微结构、界面和结晶状态以及物理性能[3-5]，最终达到调控铁电薄膜性能的目的。

用于应变工程的基底有2类：一类为平面基底，表面平坦；另一类为有倾斜角的斜切基底，表面呈现台阶状，如图1所示，台阶的高度一般为纳米级[6-7]，按斜切的方向不同又可以分为(100)方向和(110)方向2种。目前，平面基底对铁电薄膜应变性能的影响研究已取得较好成果[8-11]，如：外延应变可以使室温下为顺电相的SrTiO3表现出铁电性[8]；可以提高铁电-顺电相变温度[9]；自发极化和矫顽场都表现出随平面内压应变的增加而增加、随张应变的增加而减小的现象[10-11]。……