王志青 姚晓萍 沈杰 周静† 陈文 吴智

1) (武汉理工大学材料科学与工程学院, 材料复合新技术国家重点实验室, 武汉 430070)

2) (浙江大学材料科学与工程学院, 杭州 310058)

3) (湖南工学院材料与化学工程学院, 衡阳 421002)

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.

1 引 言

当代大数据的开发, 云计算、通信和电子产品的发展对信息存储器性能提出了更高的要求, 信息存储市场对非……