铁弹超畴结构PZT外延薄膜的极化动力学与电学特性研究

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中文摘要：基于铁电薄膜材料的各类铁电器件已经得到了广泛应用，这些铁电器件的功能核心都是铁电极化状态及其翻转行为。铁电极化动力学的本质是电畴和畴壁的运动，因而通过改变畴结构能够有效地调控器件功能特性。铁弹超畴结构是一类由纳米畴自组装形成的特殊畴结构，其可能具有丰富的极化中间状态并表现出迥异于平庸畴结构的极化翻转行为。因此，深入地研究其极化动力学与电学特性对于新型铁电电感器件的开发以及解决铁电人工突触可调态不够丰富等问题具有重要意义。然而铁弹超畴的极化翻转行为复杂、通过常规测试手段难以有效观测，其极化动力学与电学特性亟待探索。本文首先制备了铁弹超畴结构PbZr0.2Ti0.8O3(PZT)外延薄膜，设计并搭建了超快极化动力学表征系统，研究了薄膜样品的极化翻转行为和电学特性，进而构建了动态极化涡旋电感模型，并研究了薄膜样品的电感特性。主要研究内容与结果介绍如下： (1)利用脉冲激光物理沉积技术制备了PZT薄膜，并对其生长质量与取向、电畴构型、常规电学性能进行了测试分析。结果表明，薄膜外延质量高、取向沿着(111)方向，内部存在纳米畴排列规整有序的单条带状铁弹超畴结构；样品的饱和极化强度接近120μC/cm2、漏电流仅为pA量级、疲劳性能好，并且薄膜样品具有多态极化特性，在小电场作用下的阻态变化可达103。 (2)设计并搭建了铁电极化动力学表征系统，该系统实现了ns级别脉冲沿的输出和ps级别信号的监测，能够对铁电极化动力学行为进行有效观测。在极化动力学表征系统的基础上，设计搭建了基于阶跃波形的超快铁电极化动力学表征系统，通过阶梯状的波形设计和特殊电路布局，实现了ps级别的超高速输出和观测，能够对铁电材料以及多种介电材料的瞬态电学行为进行高精度观测。 (3)通过搭建的极化动力学表征系统对(111)-PZT薄膜样品的极化翻转行为和负电容效应进行了表征。实验结果表明，样品具有丰富中间态的连续极化翻转行为和显著的负电容效应，其瞬态电压降可达0.8V。 (4)基于铁弹超畴的极化翻转特性构建了动态极化涡旋电感模型，并对(111)-PZT薄膜样品中极化涡旋的动力学行为及薄膜的电感特性进行了测试分析。实验结果表明，(111)-PZT薄膜样品的电感密度可以通过外电场进行调制，其电感密度可达800mH/cm2。

作者：

吴祎玮

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关键词：

铁电器件 PZT薄膜铁弹超畴结构极化动力学电学特性

授予学位：

硕士

学科专业：

材料科学与工程

导师：

钟向丽

学位年度：

2022

学位授予单位：

湘潭大学

语种：

中文

中图分类号：