鐵酸鉍薄膜阻變效應(yīng)與陷阱電荷現(xiàn)象的研究.pdf

1、基于電致阻變效應(yīng)的隨機(jī)存儲(chǔ)器由于操作電壓低、讀寫(xiě)速度快等優(yōu)點(diǎn)備受關(guān)注，是極具前景的新一代非易失性存儲(chǔ)器。目前，阻變的物理機(jī)理、存儲(chǔ)機(jī)理等問(wèn)題依然是研究熱點(diǎn)。BiFeO3(BFO)是一種室溫下典型的多鐵性材料，在其塊材和薄膜中均發(fā)現(xiàn)了電致阻變效應(yīng)。本論文以BFO薄膜為主要研究對(duì)象，使用脈沖激光沉積技術(shù)（PLD）分別制備了外延和多晶結(jié)構(gòu)的BFO薄膜。使用X射線(xiàn)衍射儀、原子力顯微鏡（AFM）研究外延和多晶薄膜的微觀結(jié)構(gòu)，探討導(dǎo)電原子力顯微鏡（

2、CAFM）和壓電響應(yīng)力顯微鏡（PFM）的同步成像方法。構(gòu)造金屬/BFO/金屬阻變結(jié)構(gòu)，利用變溫、變頻、脈沖序列等測(cè)試方法對(duì)外延和多晶BFO薄膜的低溫電致阻變效應(yīng)和陷阱電荷現(xiàn)象進(jìn)行研究。探索了石墨烯作BFO薄膜上電極的電致阻變效應(yīng)。主要內(nèi)容如下：
　　1.利用PLD技術(shù)在不同基板上制備出外延和多晶的BFO薄膜。利用XRD、AFM分析樣品的微結(jié)構(gòu)信息，外延薄膜具有c軸取向，薄膜表面具有原子級(jí)的平整度；多晶薄膜具有（100）、（110）

3、等多重取向，平均晶粒尺寸約為300～500 nm。薄膜的鐵電性能由PFM證實(shí)，外延和多晶的薄膜原始電疇均隨機(jī)分布且在外場(chǎng)作用下可以實(shí)現(xiàn)極化翻轉(zhuǎn)。同步的PFM和CAFM測(cè)試表明外延BFO薄膜的極化和導(dǎo)電狀態(tài)在空間上是關(guān)聯(lián)的；多晶BFO薄膜的極化取向與導(dǎo)電狀態(tài)在空間上沒(méi)有直接關(guān)聯(lián)。
　　2.研究了BFO/SRO外延結(jié)構(gòu)的低溫阻變效應(yīng)和缺陷電荷現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Au/BFO/SRO在室溫下具有穩(wěn)定的整流效應(yīng)和電致阻變行為，在104次疲勞特性

4、測(cè)試后器件室溫下開(kāi)關(guān)比仍然高達(dá)2個(gè)數(shù)量級(jí)，高低阻態(tài)在經(jīng)歷105 s后仍然得以保持。在一定的閾值電壓下，電脈沖可以實(shí)現(xiàn)器件的多級(jí)阻態(tài)觸發(fā)。當(dāng)溫度低于140 K時(shí)，器件的阻變效應(yīng)和電容附加峰消失。低溫導(dǎo)電機(jī)制擬合和理論分析表明Au/BFO/SRO的電致阻變行為與鐵電極化、氧空位的遷移以及界面的缺陷填充有關(guān)，電容附加峰來(lái)源于金屬/鐵電界面處陷阱能級(jí)的俘獲或發(fā)射作用。
　　3.與外延結(jié)構(gòu)相比，BFO/Pt多晶結(jié)構(gòu)同樣表現(xiàn)出整流效應(yīng)和電致阻

5、變行為，但是，其電流回滯曲線(xiàn)與單晶BFO/SRO結(jié)構(gòu)存在較大差異，而且阻變開(kāi)關(guān)比遠(yuǎn)小于單晶結(jié)構(gòu)。Au/BFO/Pt在室溫下?lián)碛锌煽康淖枳冃阅?，器件在?jīng)歷700次抗疲勞測(cè)試和105 s保持特性測(cè)試后仍然穩(wěn)定。分析發(fā)現(xiàn)，多晶器件的整流效應(yīng)和電致阻變特性來(lái)自于界面處的肖特基結(jié)。I-V和C-V回滯曲線(xiàn)在低溫下消失的實(shí)驗(yàn)說(shuō)明多晶BFO薄膜的特性由界面肖特基結(jié)和薄膜鐵電本質(zhì)共同作用。
　　4.探索多層石墨烯（FLG）作BFO薄膜上電極的阻變效