论文部分内容阅读
铁电存储器是基于将铁电薄膜与硅基半导体进行集成而得到的可擦写的非挥发性随机存储器，具有非易失、低功耗、高速读写、长寿命和抗辐射等优点，被认为是国际上存储器件主流发展趋势中最具代表性的存储器之一。目前，铁电存储器中使用的电极材料分为两种，即传统的金属电极与导电金属氧化物电极。具有良好抗高温氧化能力和优异导电性的金属Pt电极是常用的底电极材料，然而，铁电薄膜在金属Pt电极上表现出明显的极化疲劳现象。研究发现，铁电薄膜的极化疲劳主要是由于氧空位在铁电薄膜/金属电极材料界面处的聚集，钉扎电畴的所导致的。导电金属氧化物薄膜作为电极材料能够有效补偿铁电薄膜/电极界面处的氧空位，从而能够降低界面处的氧空位浓度。因此，采用导电金属氧化物电极代替传统金属电极是改善铁电薄膜极化疲劳的一种有效方法。其中，LaNiO3(LNO)具有钙钛矿结构，与大多数的同为钙钛矿结构的铁电薄膜的具有较好的结构兼容性，是氧化物电极材料的主要候选材料之一。然而，氧化物电极材料通常具有较高的电阻率。这相当于给铁电薄膜串联了一个电阻，从而会增大铁电存储器的工作电压，不利于降低能耗。近年来，通过将两相或多相在纳米尺度上复合而得到的纳米复合材料，可以调控材料的功能特性或开发出各自材料所不具有的、新的物理及化学性能，因此，未来高性能铁电存储器中，采用金属-导电金属氧化物纳米复合电极是必然的发展趋势。 本论文围绕金属-导电金属氧化物电极材料这一主题，采用化学溶液沉积一步法(One-step Chemical Solution Deposition:One-step CSD)制备了金-镍酸镧(Au-LaNiO3∶Au-LNO)纳米复合薄膜。利用X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、原子力显微镜、X射线光电子谱、紫外光电子谱等实验手段及结晶动力学相关理论计算，研究了Au纳米颗粒对复合薄膜导电性、微结构、结晶性及电子结构的影响。在论文的最后部分，研究了Au-LNO作为电极材料对Pb(Zr，Ti)O3(PZT)铁电薄膜铁电性能的影响，主要研究内容及结果如下: 1.首次采用One-step CSD方法在SiO2/Si基片上制备了具有高导电性的Au-LNO纳米复合薄膜。研究了薄膜的晶体结构和相组成，发现薄膜是由面心立方结构的Au与钙钛矿结构的LNO两相构成。对薄膜中Au4f电子结构的表征结果显示，Au完全以单质形态存在。用扫描电子显微镜和透射电子显微镜研究了薄膜的微结构，发现10-20 nm的Au纳米颗粒弥散地分布在LNO基体中。通过对薄膜的电输运行为和室温电阻率的研究，发现Au-LNO复合薄膜的导电性与LNO薄膜相比有大幅度的提高。以上研究结果证明，采用One-step CSD方法可以成功制备出具Au与LNO两相复合的纳米复合薄膜。 2.系统地研究了Au添加量对Au-LNO复合薄膜微结构及导电性的影响。室温电阻率的测试结果表明，薄膜的电阻率随Au添加量的增大呈现先降低后升高的变化趋势，当Au的添加量为3.84 at％时，复合薄膜具有最低的电阻率。通过对复合薄膜微结构的表征发现，随着Au添加量的增多，Au纳米颗粒的尺寸逐渐增大。当Au添加量超过3.84 at％时，Au纳米颗粒开始出现合并、长大，纳米颗粒的平均尺寸超过20nm。因此，复合薄膜表面粗糙度的增大，致密度下降，因而薄膜的电阻率呈现升高的趋势。以上研究结果表明，在Au-LNO复合薄膜中，Au的最佳添加量为3.84 at％。该复合薄膜具有最低的电阻率和最优的微结构，作为电极材料在铁电集成器件上有广阔的应用前景。 3.研究了Au-LNO纳米复合薄膜以及LNO薄膜的结晶过程。采用用One-stepCSD法分别制备了Au-LNO纳米复合薄膜以及LNO薄膜，然后分别在575℃、600℃、625℃条件下退火不同时间。用X射线晶体学分析了不同条件下的LNO的结晶化程度，并利用Johnson-Mehl-Avrami(JMA)关系式，计算得出薄膜的结晶动力学参数n与激活能Ea。对于Au-LNO复合薄膜，其n值约为1.5，结合薄膜的微观组织形貌，薄膜的形核率降低，晶核的长大受界面控制而沿一维方向长大，从而得到柱状晶的结构。这是由于Au在复合薄膜中优先形核，为LNO形核提供了形核位置。此外，Au纳米颗粒的存在可以降低LNO的形核激活能，促进了Au-LNO复合薄膜的结晶过程。 4.研究了Au-LNO复合薄膜的微观导电机制。研究了Au-LNO纳米复合薄膜的晶体结构、电子结构、微观组织结构和电输运行为，探讨了Au-LNO纳米复合薄膜的微观导电机制。结果表明，Au-LNO复合薄膜优异的导电性主要来源于两个方面:一方面，Au纳米颗粒比LNO具有更高的导电率，其均匀地分布于LNO基体中，极大地降低了电子的散射;另一方面，Au纳米颗粒的存在能够改善LNO基体的结晶性，提高了LNO基体的导电性。 5.研究了Au-LNO纳米复合薄膜作为电极材料对PZT铁电薄膜电学性能的影响。采用溶胶-凝胶法分别在Pt/Ti/SiO2/Si、LNO/SiO2/Si、Au-LNO/SiO2/Si基片上制备了PZT铁电薄膜。结果显示， PZT薄膜在Au-LNO/SiO2/Si基片上表现出了最佳的铁电性能。PZT铁电薄膜的剩余极化高达59.6μC/cm2，远大于PZT薄膜在Pt及LNO电极上的剩余极化。通过对电滞回线和漏电流曲线的详细分析，发现在不同底电极上，PZT薄膜的矫顽场和漏电流均呈现出不同的不对称性。PZT/Au-LNO界面的势垒最低，界面附近的内建电场对电畴的钉扎最弱，有利于铁电畴的反转。因此，PZT薄膜在Au-LNO电极上呈现出最佳的铁电性能。