摘要
氧化铪(HfO2)基铁电材料作为一种新型的铁电材料，在非挥发性铁电存储器中具有极大的应用潜力。然而，HfO2基铁电材料目前仍然存在一系列可靠性问题，如唤醒效应、疲劳失效等，这些问题制约着HfO2基铁电材料的实际应用。研究表明，调控氧空位和元素掺杂可能是解决这些可靠性问题的关键。大量研究人员从氧空位与元素掺杂对铁电相氧化铪(f-HfO2)稳定性影响的角度展开了系统研究，但极少涉及氧空位的形成机理，以及元素掺杂对氧空位形成与扩散的影响。因此，本文通过第一性原理计算方法，系统地研究了在不同氧含量条件下，f-HfO2与La掺杂铁电正交相氧化铪(HfO2:La)中氧空位的形成能及其浓度，并探索了氧空位扩散势垒的影响因素。主要研究内容如下： (1)研究了氧空位对f-HfO2电子结构和极化性能的影响。结果表明在f-HfO2中，靠近费米能级的价带部分主要由O2p轨道贡献；当Hf原子与O原子形成Hf-O键时，O2p轨道作为成键轨道存在。此外，当3配位氧空位携带2个正电荷时，会使f-HfO2的极化值大小降低约19μC∕cm2。 (2)研究了氧含量对f-HfO2与HfO2:La中缺陷形成能的影响。发现在f-HfO2中，氧空位只有在缺氧的条件下才具有较低的形成能，从而能很好地稳定铁电相，对应的氧空位为0价、浓度约为1.1×1016cm-3。此外，La掺杂促使氧空位由0价向+2价转变，有利于改善HfO2基铁电材料的抗疲劳性能，同时使得氧空位在不同氧含量条件下均可以获得一个较低的形成能。 (3)研究了La掺杂对f-HfO2中氧空位扩散势垒的影响。发现La缺陷会阻碍+2价氧空位在f-HfO2中扩散，从而会增加HfO2基铁电材料的唤醒效应。在f-HfO2中，0价氧空位的扩散势垒约为2.41eV，而+2价氧空位的扩散势垒仅为0.43eV左右，表明+2价氧空位更容易发生扩散。而在HfO2:La中，0价氧空位的扩散势垒会降低至1.96eV左右，而+2价氧空位的扩散势垒则增大至1.02eV左右。
NETL