锆钛酸铅薄膜的铁电疲劳微观机理及其耐疲劳性增强

• 作者: 王志青 姚晓萍 沈杰 周静 陈文 吴智
• 来源期刊: 物理学报
• 关键词: Pb(Zr0.52Ti0.48)O3 180°畴壁 氧空位 第一性原理计算
• 年，卷（期）: 2021,（14）
• 所属期刊栏目: 凝聚物质:结构、力学和热学性质|CONDENSED MATTER: STRUCTURAL, MECHANICAL, AND THERMAL PROPERTIES
• 页码范围: 290-299
• 页数: 10页
• 语种: 中文
• DOI: 10.7498/aps.70.20202196

摘要

铁电随机存储器(ferroelectric random access memory,FeRAM)因其卓越的数据存储性能与非易失性存储特性等优势而备受关注,但其自身固有的铁电疲劳失效问题制约了FeRAM进一步的发展和商业化应用.FeRAM的疲劳失效与铁电薄膜的畴壁运动密切相关,但其内在疲劳机理仍有待深入研究.本文采用基于密度泛函理论(density functional theory,DFT)的第一性原理计算方法,研究了锆钛酸铅(Pb(Zr0.52Ti0.48)O3,PZT)的疲劳失效机理并提出了增强其耐疲劳性能的方法.计算结果表明:PZT中氧空位与180°畴壁运动的耦合是其铁电疲劳的内在原因,PZT铁电薄膜中越靠近畴壁的地方越容易形成氧空位,畴壁处大量氧空位对畴壁运动的"钉扎"作用使畴壁迁移困难,抑制了其极化反转最终导致了铁电疲劳;Ba(Mg1/3Nb2/3)O3(BMN)缓冲层的存在可吸收PZT中的氧空位,降低畴壁处的氧空位浓度,提升其耐疲劳性能.实验结果表明,经过1010次极化反转后,PZT铁电薄膜的剩余极化值降低了51％,而PZT/BMN薄膜的剩余极化值仅降低了18％;经过1012次极化反转后,PZT/BMN薄膜的剩余极化值仍保持有82％并持续稳定.以上结果表明,BMN缓冲层引入确实能提高PZT铁电薄膜的耐疲劳性,有望满足FeRAM商业化应用的需求.