与传统硅基电子相比, 柔性电子因其独特的便携性、折叠卷曲性和生物相容性被广泛研究。柔性存储器作为柔性电子重要分支, 在可穿戴设备、智慧医疗、电子皮肤等领域展现出良好的应用前景。同时随着5G、人工智能、物联网等新一代信息技术深入应用, 市场对高密度、非易失、超低功耗柔性存储器的需求持续释放, 催生了柔性铁电存储器件的研究热潮。本文综述了近年来柔性无机铁电薄膜的制备及其在存储器领域应用进展。首先介绍了柔性铁电薄膜制造技术的发展情况, 包括柔性基板上的范德瓦耳斯异质外延、刚性基板上的化学蚀刻分层、新型二维(2D)铁电材料生长等, 然后介绍了基于无机铁电薄膜的柔性存储器的研究进展, 最后对柔性铁电存储器的未来发展进行了展望。
柔性 无机材料 铁电薄膜 范德瓦耳斯异质外延 化学蚀刻 二维铁电材料 存储器 flexible inorganic material ferroelectric thin film van der Waals heteroepitaxy chemical etching 2D ferroelectric material memory
1 1.山东大学 材料科学与工程学院, 材料液固结构演变与加工教育部重点实验室, 济南 250061
2 2.齐鲁工业大学(山东省科学院) 化学与化工学院, 济南 250353
钛酸钡(BaTiO3)具有优异的介电、铁电、压电和热释电等性能, 在微电子机械系统和集成电路领域具有广泛的应用。降低BaTiO3薄膜的制备温度使其与现有的CMOS-Si工艺兼容, 已成为应用研究和技术开发中亟需解决的问题。本研究引入与BaTiO3晶格常数相匹配的LaNiO3作为缓冲层, 以调控其薄膜结晶取向, 在单晶Si(100)基底上450 ℃溅射制备了结构致密的柱状纳米晶BaTiO3薄膜。研究表明：450 ℃溅射温度在保持连续柱状晶结构和(001)择优取向的前提下, 能获得相对较大的柱状晶粒(平均晶粒直径27 nm), 一定残余应变也有助于其获得了较好的铁电和介电性能。剩余极化强度和最大极化强度分别达到了7和43 μC·cm-2。该薄膜具有良好的绝缘性, 在 0.8 MV·cm-1电场下, 漏电流密度仅为10-5 A·cm-2。其相对介电常数εr展现了优异的频率稳定性：在1 kHz时εr为155, 当测试频率升至1 MHz, εr仅轻微降低至145。薄膜的介电损耗较小, 约为0.01~0.03 (1 kHz ~ 1 MHz)。通过电容-电压测试, 该薄膜材料展示出高达51%的介电调谐率, 品质因子亦达到17(@1 MHz)。本研究所获得的BaTiO3薄膜在介电调谐器件中有着良好的应用前景。
硅 BaTiO3 铁电薄膜 柱状纳米晶 介电调谐率 品质因子 silicon BaTiO3 ferroelectric film columnar nanograins dielectric tunability figure of merit 辐射研究与辐射工艺学报
2022, 40(6): 060202
光学学报
2022, 42(23): 2331001
铁电薄膜由于其优异物理性能，而被广泛应用于微电子、光电子、微机电领域。在铁电薄膜理论研究方面，热力学理论可以有效地预测铁电薄膜的相结构、极化特性和机电性能等，且已在(001)取向铁电薄膜的研究中取得了较好的应用，而对于(111)取向铁电薄膜的研究报道非常少。因此，本文通过对序参量坐标转换的方法，构建了(111)取向薄膜的热力学势能函数及其机电性能计算方法。基于此，研究了(111)取向0.7PMN-0.3PT铁电薄膜的相结构及其机电性能。研究结果表明，(111)取向0.7PMN-0.3PT铁电薄膜的相结构主要存在沿晶轴方向三个极化可互换的对称相：顺电相PE、菱方相R和单斜相MA(或MB)。在应变和外电场的调控下，(111)取向0.7PMN-0.3PT薄膜展现出优良的机电性能，在R和MA相变点处，介电常数ε11、ε22、ε33和面外压电系数d33取得了极大值。在外电场E3分别为0、50 kV/cm、100 kV/cm和200 kV/cm时，面外介电常数ε33的峰值分别为4 382、2 646、2 102和1 600，面外压电系数d33的峰值分别为303.8 pm/V、241.9 pm/V、219.7 pm/V和195.1 pm/V。应变和外电场能够较好地调控薄膜的机电耦合性能，可为优异机电耦合性能的器件制备提供参考。
铌镁钛酸铅 铁电薄膜 (111)取向 相结构 热力学理论 压电系数 介电常数 lead magnesium niobium titanate ferroelectric thin film (111)-orientation phase structure thermodynamic theory piezoelectric coefficient dielectric constant
1 广西大学 机械工程学院, 广西 南宁 530004
2 中国电子科技集团公司第二十六研究所, 重庆 400060
3 广西制造系统与先进制造技术重点实验室, 广西 南宁 530004
随着微机电系统(MEMS)产业的快速发展, 铁电薄膜材料作为微机电器件的重要组成部分而愈受重视。锆钛酸铅(PZT)薄膜具有优越的压电性、热释电性及光电性等性能, 在微电子、压电、光学及半导体等领域展现了巨大的应用潜力。因此, 高性能PZT薄膜的制备技术及制备工艺一直备受关注。其中, 溶胶-凝胶法因具有易于控制成分, 所需设备成本低及制备薄膜的均匀性好等优点而被广泛用于PZT薄膜制作中。该文在溶胶-凝胶法基本原理及制作工艺的基础上, 着重分析了溶胶-凝胶法制备PZT薄膜的研究现状, 总结了当前溶胶-凝胶法的技术特点, 并指出了研究中存在的不足及未来的潜在改进方向。
微机电系统 铁电薄膜 铁电性能 PZT薄膜 溶胶-凝胶法 MEMS ferroelectric thin film ferroelectric property PZT thin film Sol-Gel method
1 长江师范学院，涪陵 408100
2 西南科技大学，固体废物处理与资源化教育部重点实验室，绵阳 621010
基于横场伊辛模型，利用平均场近似理论推导久期方程的解，研究了单、双表面层铁电薄膜在不同总层数时，系统表面交换相互作用和内、外横场参量对铁电-顺电相变的影响，讨论了铁电薄膜各交换相互作用和横场参数以及薄膜层数对单、双表面铁电薄膜相图的影响，并计算了各个相互作用参数的过渡值特性。研究结果表明: 薄膜总层数n、表面层数、内外部横场、表面交换相互作用都会改变铁电薄膜的相图。利用薄膜的尺寸效应和表面效应，增大系统总层数、表面层数和表面交换相互作用，可以提高薄膜相变温度，扩大铁电相区域，从而有利于改善铁电功能器件的环境温度。
铁电薄膜 相变 横场 交换相互作用 尺寸效应 表面效应 ferroelectric film phase transition transverse field exchange interaction size effect surface effect
电子科技大学 光电科学与工程学院, 成都 610054
用射频磁控溅射法在Pt/Ti/SiO2/Si(100)基片上沉积了LiTaO3薄膜, 并在氧气气氛中不同温度下进行退火。采用SEM、XRD、XPS等表征方法分析了薄膜的结晶性能、各元素化学价态和元素原子百分比。结果表明, 经700℃退火处理1h得到的薄膜结晶性能最好, 在(104)晶向上具有强烈的择优取向性。薄膜退火温度的升高导致薄膜中Li空位缺陷和O空位缺陷减少。研究表明, 薄膜中O/Li的原子比对结晶性能有着非常明显的影响, 原子值越接近晶体化学计量比, 结晶性能越好。
钽酸锂 铁电薄膜 射频磁控溅射 结晶性能 近化学计量比 LiTaO3 ferroelectric film RF magnetron sputtering crystallization behavior near stoichiometric
湘潭大学 材料与光电物理学院, 湖南 湘潭 411105
采用溶胶-凝胶法(Sol-Gel)制备了以n型Si为栅极、二氧化锡(SnO2)薄膜为沟道层、(Bi,Nd)4Ti3O12(BNT)薄膜为绝缘层的薄膜晶体管。晶体管呈现出n沟道增强型性能, 其开态电流Ion=25μA, 场效应迁移率μsat=0.3cm2·V-1·s-1。BNT铁电薄膜的自发极化以及载流子与极化的耦合作用是晶体管具有较大开态电流和较高场效应迁移率的主要原因。
溶胶-凝胶 薄膜晶体管 BNT铁电薄膜 二氧化锡 高场效应迁移率 sol-gel thin film transistor BNT ferroelectric thin film SnO2 high field-effect mobility
