《鐵電隧道結陣列的研製及其輸運機理研究》是依託湖北大學，由章天金擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：鐵電隧道結陣列的研製及其輸運機理研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：章天金
- 依託單位：湖北大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
套用PLD製備技術，結合微加工技術和界面調控技術，研製可實現多通道和多位數據同時存儲和傳輸的鐵電隧道結陣列；研究超薄鐵電薄膜的厚度及其均勻性監控技術，探索超薄鐵電薄膜的厚度及均勻性變化對隧道結電輸運特性的影響規律；研究隧道結單元及陣列中薄膜的微結構與電學性能，探討單元的幾何參數、陣列單元的空間幾何對稱性及單元的連線方式對電輸運性質的影響，建立微結構、隧道結單元耦合機制與隧道結存儲功能的關聯；套用第一性原理、修正的MWBK近似和單電子能帶模型，結合電學及力學邊界條件，分析電子與勢壘層中晶格的電-聲耦合作用，建立電輸運機理的物理模型；研究隧道結中電子隧穿的物理過程，揭示隧道結電致電阻效應及電阻反轉的物理機制，建立微觀理論與隧道結巨觀性能的關聯。本項目的研究成果對於進一步認識鐵電隧道結陣列的存儲功能、開發新型鐵電集成器件具有重要的科學意義。
結題摘要
本項目套用磁控濺射技術和PLD技術並結合表面微加工工藝，研製了鐵電隧道結陣列。研究隧道結單元及陣列的微觀結構和電學性能，從實驗和理論上揭示了隧道結陣列的電輸運特性及其遂穿機理。主要實驗結果和創新性成果如下： 1、超薄鐵電薄膜的製備工藝最佳化與微結構及電學性能表征 在SrTiO3、Nb：SrTiO3單晶基片以及Pt/Ti/SiO2/Si襯底上製備以PZT、BaTiO3、(Ba,Sr)TiO3為鐵電層的鐵電隧道結。表征了隧道結的微結構和電學性能，研究了製備工藝與微觀結構的關聯，建立了鐵電層厚度與電阻反轉特性的關係、總結出製備高質量鐵電隧道結的最佳工藝條件。 2、鐵電隧道結的電輸運特性及其隧穿機理的實驗研究 研究了厚度為20 nm 鐵電隧道結電輸運特性及其隧穿機理，實驗發現：在三角波電壓作用下，隧道結具有整流特性，該整流特性是由偏壓作用下氧空位在Pt/BTO界面的聚集使得肖特基勢壘高度和耗盡層寬度變化引起的。當施加正向電壓時，由於氧空位被排斥，導致Schottky勢壘變寬，薄膜呈現高阻態；當施加負向偏壓時，氧空位被吸引到頂電極，降低了Schottky勢壘高度，薄膜轉變為低阻態，實現了電致電阻開關效應。這部分結果發表在Appl. Phys. Lett. 99, 182106 (2012)上。 3、鐵電隧道結的電輸運特性及其電導機理的理論研究 （1）利用短路邊界條件，結合Thomas-Fermi模型、傳輸矩陣方法以及Landauer電導公式探討了隧道結結構與隧穿電阻效應的關聯，考慮到介電/鐵電複合勢壘厚度分布對隧道結結構對稱性的影響，固定複合勢壘層總厚度而改變介電層厚度，得到了使TER取最大值時的最佳介電厚度。這部分成果發表在J. Appl. Phys., 111, 074311 (2012)上。 （2）提出了一種具有量子阱結構的新型鐵電隧道結，並結合逆壓電效應和退極化場研究了鐵電隧道結的偏壓特性。對於單量子阱，在大的極化強度範圍內隧穿電阻效應優於傳統的複合鐵電隧道結；對於多量子阱在極化強度極弱的情況下也可以觀察到明顯的電阻反轉現象。這部分成果發表在Appl. Phys. Lett., 101, 022906 (2012)上。 這些研究成果將有助於進一步認識鐵電隧道結陣列的存儲功能，對於開發新型鐵電集成器件和發展鐵電理論具有重要的科學意義。
