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基于双稳态极化来存储数据的铁电存储器(FRAM)具有工作温度范围宽、读写速度快、抗疲劳、功耗低、强抗辐射性等优点,已经被应用在卫星、深空探测器等多种航天器中。但目前的FRAM仍然存在与Si工艺难兼容和存储密度过小等问题,限制了其在民用领域的应用。为促进FRAM的应用,本论文探索了在Pt及Si衬底上制备多晶铁电超薄膜的工艺,研究了制备的铁电超薄膜的铁电性能及其在多逻辑态存储的应用,并分析了多逻辑态存储机理。该研究为解决FRAM与Si工艺的兼容和存储密度低等问题提供了一种新途径,能促进FRAM的商业化应用。本论文的具体工作和相应结果如下:1.通过采用不同的制备参数来调控Pt衬底上超薄PbZr0.52Ti0.48O3(PZT)薄膜的铁电性能,从厚膜开始入手逐步实现了具有良好铁电性能的多晶PZT铁电超薄膜制备,并研究了基于PZT铁电超薄膜的Pt/PZT/Pt可翻转二极管的开关特性。通过制备参数的调制实现了具有较好电滞回线的多晶铁电超薄膜制备,当PZT薄膜厚度低于50 nm时,随薄膜厚度降低,尽管PZT超薄膜的剩余极化强度逐渐降低,但是当薄膜厚度降低至29 nm时仍保持明显的铁电性能。另外基于所制备的多晶铁电超薄膜制备了Pt/PZT/Pt可翻转二极管单元,其开关比随PZT薄膜厚度的减小而逐渐降低。当铁电薄膜的厚度薄至13 nm时,该可翻转二极管开关特性依然明显,表明超薄多晶铁电薄膜依然可应用于存储器件中。2.设计了一种铁电忆阻器存储单元,通过使用活性电极来调控铁电薄膜中的氧空位浓度,并通过电场控制氧空位的迁移距离等实现高低阻态电流的高比值。通过调控薄膜制备氧压生长了具有不同初始氧空位浓度的PZT薄膜,并制备了Ag/PZT/Pt存储单元。研究了PZT氧空位的浓度与存储单元忆阻行为的相关性。当制备氧压为10 Pa时,该单元可以实现六个逻辑态的存储;当制备氧压为20 Pa时,该单元可以实现四个逻辑态的存储,此时最高阻态和最低阻态之间的比值最高,可以达到107~108%。这些器件具有很高的开关比和良好的保持性能,用作两逻辑态存储时可以保持105 s以上,表明其在非挥发性铁电忆阻器中具有巨大的应用潜力。3.设计了一种基于ZnO:Mn/PZT复合薄膜的多逻辑态存储单元,通过逐层控制薄膜的电阻状态,开发了一种基于控制Ag离子迁移、铁电极化翻转以及氧空位迁移来实现四逻辑态存储的单元器件。研究了Ag/ZMO/PZT/Pt复合薄膜存储单元的多逻辑态存储行为,该存储单元综合了Ag/PZT(8 nm)/Pt和Ag/ZMO(20 nm)/Pt两种存储单元的阻变机理,在不同电压激励下能逐步实现Ag离子迁移、铁电极化翻转和氧空位迁移,进而实现了四逻辑态存储。该复合薄膜存储单元具有较好的重复写入性能,能在较短的时间内保持其逻辑态。该研究表明通过不同原理组合来构建新型多逻辑态存储器的设想是可行的,为新型多逻辑态存储器件研发提供了新思路。4.构建了Pt/PZT/SiOx/Si铁电隧道结单元,通过隧道结中铁电极化翻转和氧空位迁移实现了多逻辑态存储,探索了多晶铁电超薄膜应用于多逻辑态存储时与Si工艺的兼容性。在Si衬底上沉积的不同厚度PZT超薄膜具有较好的铁电性能;当使用Pt顶电极将其制备成Pt/PZT/SiOx/Si铁电隧道结单元时,其开关比随着PZT薄膜厚度的增加先增大后减小;当存储单元中PZT厚度为2.5 nm时可实现8态存储,在100 s内其各逻辑态保持性较好,且具有较好的可重复写入性能。该铁电隧道结单元的多逻辑态存储是由铁电极化翻转和氧空位迁移共同引起的。该研究结果为开发与Si工艺兼容的铁电存储器提供了新思路。5.使用BiFeO3(BFO)铁电材料来制备直接沉积在Si衬底上的多逻辑态铁电隧道结单元,研究了Pt/BFO/SiOx/Si铁电隧道结单元的存储性能,然后使用数值计算的方法对构建的存储机理模型进行了验证。研究结果表明,所制备的多逻辑态铁电隧道结单元的存储机理和可存储逻辑态的数量均与BFO薄膜的厚度相关:当采用的BFO薄膜的厚度在2 nm时,存储单元的存储行为由氧空位的迁移引起,可以实现2态存储;当厚度在3.5 nm及以上时,存储行为由氧空位和极化翻转共同引起,可以实现4态及以上的存储。所制备的BFO铁电隧道结单元保持性优于PZT铁电隧道结单元,各个逻辑态在10 min内都可以较好地保持。另外数值计算结果验证了铁电隧道结单元在不同电压激励以后引起的铁电极化翻转和氧空位迁移导致势垒高度和宽度变化的模型是正确的。该研究为开展提高与Si工艺兼容型铁电存储器的保持性能研究提供了指导。