维普资讯 http://www.cqvip.com 张端明等：钛酸铋基铁电薄膜研究进展 钛酸铋基铁电薄膜研究进展 张端明 ，杨 斌ｈ。，魏 念 ，李智华 ，郑朝丹 ，吴云翼 ， 郭冬云 ，王龙海 ，杨卫明 ，王耘波 ，高俊雄 ，于 军 （１．华中科技大学物理系，湖北武汉４３００７４；２．华中科技大学电子科学和技术系，湖北武汉４３００７４） 摘要：钛酸铋基铁电薄膜具有优良的铁电、介电性 能，在非挥发性存储器件方面有很好的应用前景。本 文分别从制备工艺、掺杂改性、疲劳特性的研究等方面 接近正交晶系，故晶格参数可用赝正交晶系来描述：ａ 一０．５４５０，６＝＝＝０．５４０６，Ｃ＝３．２８３２ｎｍ ］。ＢＩＴ的自发极 化沿ａ轴方向和ｃ轴方向的分量分别为５Ｏ和４ｕｃ／ ｃｍ２［ 。 综述了最新的研究进展，并对当前研究中存在的问题 进行了讨论。 ｌ９４９年，Ｂｅｎｔ Ａｕｒｉｖｉｌｌｉｕｓ测定了ＢＩＴ的晶体结 关键词： 钛酸铋；铁电薄膜；制备工艺；掺杂改性；疲劳 中图分类号：ＴＭ２２３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—９７３１（２００６）０３—０３５１一Ｏ４ 构，但由于制备工艺的等原因，ＢＩＴ一直没有引起 人们的重视。１９９９年，据Ｎａｔｕｒｅ报道Ｌ１］，Ｂ．Ｈ．Ｐａｒｋ 等人首先使用ＰＬＤ方法，在较低的６５０℃条件下制得 １ 引 言 在新一代非挥发性铁电随机存储器中，使用最多 的铁电薄膜材料是Ｐｂ（Ｚｒ￣Ｔｉ 一 ）Ｏ （ＰＺＴ）和Ｓｒ— Ｂｉ。Ｔａｚ０ （ＳＢＴ），但前者污染环境且抗疲劳特性不 了掺Ｌａ的ＢＩＴ薄膜（ＢＬＴ），其剩余极化值Ｐ 达到１６ ￣２０ｕＣ／ｃｍ ，且具备良好的抗疲劳特性，由此，ＢＩＴ基 铁电薄膜才引起了人们的广泛关注。本文重点讨论相 关研究的最新进展。 佳，后者制备温度过高（７５０￣８５０℃），剩余极化较小（４ ～２薄膜材料的制备 ２．１ ａ轴方向外延薄膜的制备 高密度存储器件要求薄膜功能具有高度的稳定 性［５］，所以近年来可定向生长的，功能稳定性高的外延 １６＃Ｃ／ｃｍ。）［１］，阻碍了铁电存储器的商品化进程。 Ｂｉ Ｔｉ。Ｏ。：（ＢＩＴ）为铋层状钙钛矿结构，如图１所 示 扪 ０ ＠ ＠ Ｂｉ（２） 薄膜的制备是大家研究的焦点，这就要尽量选择和薄 膜样品的晶格较为匹配的衬底材料Ｌ６］。 ＢＩＴ的自发极化主要沿ａ轴方向，为了得到较大 的剩余极化，制备 轴方向的外延薄膜是关键Ｌ７］。Ｔ． Ｗａｔａｎａｂｅ等人［８］指出，如图２所示 ］，钛型结构的导 体氧化物，如ＴｉＯ 、ＩｒＯ 等，其［１ＯＴ３和ＥＯＬＯ３方向上的 Ｂｉ（１） 氧离子间距约为ｏ．５４ｎｍ，与ＢＩＴ的ａ轴晶格参数近 似。他们使用ＭＯＣＶＤ方法，分别在ＴｉＯ２／（１０１） ＴｉＯ２、ＲｕＯ２／（０１２）Ａ１２Ｏ。、ＩｒＯ２／（１１０）Ａ１２Ｏ 上成功的 Ｂｉ（１） 制备了“取向的ＢＩＴ薄膜，其剩余极化＞２０＃Ｃ／ｃｍ 。 Ｈｉｒｏｆｕｍｉ Ｍａｔｓｕｄａ等人 用ＣＳＤ方法在Ｉｒ（１ １ １）／Ｔｉ／ Ｓｉ０：／ｓｉ上生长了 轴取向的掺Ｐｒ（ ；；＝０．３）的ＢＩＴ薄 膜，其剩余极化高达２Ｐ 一９２＃Ｃ／ｃｍ。，外延生长的关键 Ｂｉ（２） ＠ 图１ ＢＩＴ的晶体结构 Ｆｉｇ ｌ Ｔｈｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＢＩＴ 正是在Ｉｒ层的表面又形成了一层ＩｒＯ：。 ２．２择优取向的多晶薄膜的制备 般条件下制得的薄膜都是多晶薄膜，剩余极化 与其取向有着密切的关系，所以近年来有关择优取向 一居里温度Ｔｃ＝６７５℃，低于 晶体的对称性属单 斜晶系点群ｍ，高于 属于四角晶系顺电相４／ｍｍｍ。 其铁电一顺电相变属一级相变，由于单斜相的单胞十分 的多晶薄膜的制备研究也是人们关注的热点。 多晶薄膜的取向受很多因素的影响。首先，对于 ＢＩＴ，由于ｃ轴力向的核在薄膜和衬底界面处的界面能 －基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０２７２０２２．９０４０７０２３）ｌ武汉市青年科技晨光计划资助项目（２００４５００６０７１—４１） 收到初稿日期：２００５—０７—０４ 收到修改稿日期：２００５一ｉ０—０８ 通讯作者：杨斌 作者简介：张端明（１９４１一），男，湖北黄岗人，教授，博士生导师，主要从事复合铁电纳料材料、ＰＬＤ动力学机理、分形多孔材 料及混合颗粒流系统等方面的研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com ３５２ 助 能 财 抖 ２００６年第３期（３７）卷 较低，它们的成核势垒也较低，故ＢＩＴ薄膜易于沿ｃ轴 方向生长 。 ０．５４ｎｍ．． 方法似乎更好。他们使用ｓｏｌ—ｇｅｌ方法制得的ＢＬＴ薄 膜的剩余极化为２Ｐ 一７０８Ｃ／ｃｍ ，而使用ＰＬＤ方法、 ＭＯＣＶＤ方法制得的薄膜的值分别为２４～３１．９和约 １６／￣Ｃ／ｃｍ 。 ； ｉ七＿ 缓冲层对于薄膜性能的影响很大。Ｒｏｋｕｔａ等 人 ¨ 在ｓｉ基底上以ＳｉＯＮ作为缓冲层，起到了降低薄 膜漏电流的作用。Ｊｉｗｅｉ Ｚｈａｉ等人［。］以ＬａＮｉＯ３作为 缓冲层，在Ｐｔ／Ｔｉ／ＳｉＯ２／ｓｉ上生长了ＢＬＴ薄膜，结果 — ｉ÷一Ｏ．４５ｎｍ 发现，制得的薄膜晶粒更大，矫顽场更小，抗疲劳特性 更强。而Ｈｉｇｕｃｈｉ等人［１ ］则使用ＴｉＯ２作为Ｐｔ／Ｔｉ／ 【１００］［０１０］ＢＩＴ／／［１Ｏ１］ＴｉＯ＝ ●Ｂｊ ｅＴｉ ｏ Ｏ ＳｉＯ。／ｓｉ基底的缓冲层，得到的薄膜具有高度的口轴取 向，薄膜和衬底之间的界面光滑，并发现薄膜的性能和 ＢＩＴ与ＴｉＯ 的厚度比有关。 ２．４制备温度的降低 图２ ＴｉＯ２与ＢＩＴ晶格匹配示意图 Ｆｉｇ ２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍｓ ｏｆ ｓｕｐｐｏｓｅｄ ｌａｔｔｉｃｅ ｍａｔｃ— ｈｉｎｇ ｉｍａｇｅ 在制备ＢＩＴ薄膜时，使用ＢｉｚＯ。模板层或表面活 性剂也可以促进薄膜的ｃ轴择优生长，但两者机理不 同。Ｊ．Ｓ．Ｋｉｍ等人 ］指出，使用Ｂｉ２Ｏ。模板层，只是 为了降低薄膜的制备温度，人们也进行了一些有 意义的尝试。Ｆａｎｇ Ｈｏｕ［１Ｉ］等人发现，使用ｓｏｌ—ｇｅｌ方 法，在Ｎ 环境下制得了掺Ｎｄ的ＢＩＴ薄膜，晶化温度 促进薄膜从界面处沿ｃ轴方向择优生长。而在制备过 程中添加表面活性剂（如Ｃ 。Ｈ Ｎ（ＣＨ ）。Ｂｒ等），将提 为６５０℃，而在Ｏ２和空气环境下分别为７１０和７３０℃。 Ｊｏｎｇ Ｋｕｋ ＫｉｍＥ ］等人在制备ＢＩＴ薄膜时使用非电离 的ｐｌｕｒｏｎｉｃ Ｐ１２３作为表面活性剂，有效地降低了薄膜 的制备温度。Ｋａｚｕｍｉ Ｋａｔｏ等人［１６］在制备ＢＩＴ时加 入了ＳｉＯ２，使晶化温度降低至５５０℃。 供一个孔隙通道（ｐｏｒｅ ｃｈａｎｎｅｌｓ）的结构，这些孔隙可 以作为新核成核的位置，所成新核会促使薄膜沿ｃ轴 方向择优生长。如果表面活性剂是在ＨＣ１溶液中加 入的，更是会抑制其它方向晶粒的生长，得到的薄膜完 全沿ｃ轴取向。 ３掺杂改性 人们对ＢＩＴ薄膜的Ａ位的Ｂｉ和Ｂ位的Ｔｉ进行 Ｆａｎｇ Ｈｏｕ等人［“］在使用ｓｏｌ—ｇｅｌ方法制备掺Ｎｄ 的ＢＩＴ薄膜时发现，薄膜在Ｎ 气氛下结晶时，晶粒呈 扁平的碟状，ｃ轴取向度高，而在Ｏｚ气氛下，晶粒呈杆 状，为随机取向。 当然，影响薄膜择优生长的因素还有很多，如衬底 表面的缺陷等［。］，兹不赘述。 ２．３制备条件对薄膜性能的影响 每种制备方法都有优缺点，从获得大的剩余极化 的角度来看，Ｊｉ Ｃｈｅｕｌ Ｂａｅ等人［１。］的研究表明，ｓｏｌ—ｇｅｌ 了多种掺杂研究。掺杂后的薄膜性能在剩余极化、抗 疲劳特性等方面有了很大的提高。 根据掺杂对于离子半径、居里温度稳定（Ｔｃ＞ ４００℃）、易于生成稳定的钙钛矿结构的要求，可以在 ＢＩＴ的Ａ位进行掺杂的稀土元素有Ｌａ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｓｍ、 Ｅｕ和Ｇｄ［１利，相关的研究结果如表１所示。而在Ｂ 位，常常进行高价的施主离子掺杂，如Ｎｂ、Ｖ、Ｗ等。 Ｅ．Ｋ．Ｃｈｏｉ等人［１。 系统的研究了这一问题，结果如表２ 所示 ８ｌ。 表１ 不同Ａ位掺杂的ＢＩＴ薄膜的性能 Ｔａｂｌｅ １ Ｓｕｍｍａｒｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ａ—ｓｉｔｅ—ｉｏｎ－ｄｏｐｅｄ ＢＩＴ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍｓ 掺杂元素 Ｌａ 掺杂量 Ｏ．７５ 薄膜取向 随机 ２Ｐ。（￣Ｃ／ｃｍ ） ２４ ２Ｅｏ（ｋＶ／ｃｍ） ｔ００ 抗疲劳反转次数 数据来源 ３×１Ｏ ０ ［１３ Ｃ Ｎｄ Ｏ．８５ 随机 １０３ ６３．６ １９０ ２６０ ６．５×ｌ０ 。 ３×１０’ ［１７］ ［１１］ （１０４） Ｏ．３ Ｐｒ Ｏ．８５ ０．９ Ｅｕ ０．７５ ４０ ９２ ４０ ６０ ６Ｏ．９９ １００ １００ —— １０４ １５Ｏ １０。 ［１９］ ［２Ｏ］ ｎ Ｃ 随机 随机 ４．５×１Ｏ 。 ［２１］ ［２２］ ５×１Ｏ ［２３］ Ｓｍ Ｇｄ Ｏ．８５ Ｏ．６ Ｃ 随机 ４９ ４９．６ １１３ ２４９ ４．５×１Ｏ 。 １．４５×１Ｏ 。 ［２４］ ［２５］ 维普资讯 http://www.cqvip.com 张端明等：钛酸铋基铁电薄膜研究进展 表２不同Ｂ位掺杂的ＢＩＴ薄膜的性能 Ｔａｂｌｅ ２ Ｓｕｍｍａｒｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｂ＿。ｓｉｔｅ。＿ －膜的相应的值分别为２０￣Ｃ／ｃｍ 和９０ｋＶ／ｃｍ。我们认 为，这可能是由于Ｂ位的低浓度掺杂，会形成高价阳离 ｉｏｎ—ｄｏｐｅｄ ＢＩＴ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍｓ ２Ｐ （理论） ２Ｐ （实测） 子和Ｖ 的缺陷偶极子，它们的迁移率很低，在其周围 会产生一个随机场，从而降低了铁电体的长程有序性， （／￣Ｃ／ｃｍ。） １１．１ １１．９ １４．３ 掺杂元素 ｃ轴取向度 （—— ￣Ｃ／ｃｍ ） ８．６ ｌ１．３ １４．７ ０．９８ ０．８４ ０．６５ 降低了新畴成核的激活势垒。 Ａ位掺杂和Ｂ位掺杂对于薄膜微观形貌的影响有 两点需要说明：（１）是都抑制薄膜的生长；（２）是如表２ 所示，两者对于薄膜晶粒的取向影响不同，其机理可参 Ｖ Ｗ Ｎｂ ０．２９ ２１．５ ２２．９ 见文献［１８］。 Ａ、Ｂ位同时掺杂具有使薄膜剩余极化增大，抗疲 向度高，剩余极化却很小（４～８￣Ｃ／ｃｍ ）Ｌ１］。以上的研 ＢＩＴ的自发极化很大，但由于制得的薄膜ｃ轴取 究表明，Ａ位、Ｂ位的掺杂均可提高剩余极化的值，但 它们的作用机理不完全相同，且Ａ位掺杂的效果更明 显。对于Ａ位稀土元素的掺杂，Ｕｏｎｇ Ｃｈｏｎ等人Ｌｌ 认 为，掺杂会使铋氧层中间的３个氧八面体中，上下两个 氧八面体的Ｔｉ２的位置具有高度不对称的双势阱，导 致自发极化沿ｃ轴方向偏转增大，从而使ＢＩＴ薄膜的ｃ 轴方向的剩余极化增大，如图３所示［】 。而对于Ｂ位 掺杂来说，剩余极化的增大主要是由于薄膜的ｃ轴取 向度减小的缘故，与掺杂离子本身的属性无关［１ 。另 外，Ａ位、Ｂ位掺杂都增强薄膜的抗疲劳特性，可能是 薄膜中Ｖ６’数量减少的结果，Ａ位掺杂是取代了易挥 发的Ｂｉ，从而减少了Ｖ３’；而Ｂ位的高价掺杂则是由 于电中性条件而导致Ｖ６‘的减少。 ．１’娩 Ｔｉｌ 图３ （ａ）ＢＮＴ的晶体结构，（ｂ）Ｔｉ离子位置在ｂ－ｃ平 面的投影，（ｃ）Ｔｉ２位置的极化矢量在ｂ－ｃ平面的 投影 Ｆｉｇ ３（ａ）ｔｈｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＢＮＴ（ｂ）ｔｈｅ ｒｅｆｉｎｅｄ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ Ｔｉｌ ａｎｄ Ｔｉ２ ｓｉｔｅｓ ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｂ－ｃ ｐｌａｎｅ（ｃ）ｔｈｅ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｖｅｃｔｏｒ ｏｆ ｔｈｅ Ｔｉ２ ｓｉｔｅ ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｂ－ｃ ｐｌａｎｅ 与Ａ位掺杂不同的是，Ｂ位掺杂在提高剩余极化 的同时，还能降低矫顽场。如Ｊｏｎｇ Ｋｕｋ Ｋｉｍ等人［ ］ 使用ｓｏｌ—ｇｅｌ方法制得的ＢＩＴ薄膜的剩余极化和矫顽 场分别是１２ｇＣ／ｃｍｚ和１１０ｋＶ／ｃｍ，而掺ｗ的ＢＩＴ薄 劳性增强，同时矫顽场减小的优良效果。如Ｌｉ Ｗｅｌ等 人 用ＣＳＤ方法同时掺人Ｎｄ和ｗ，在（１ｌ１）Ｐｔ／Ｔｉ／ ＳｉＯ ／Ｓｉ基底上制备出了多晶ＢＮＴＷ薄膜，其剩余极 化和矫顽场分别为５９．２７ｇＣ／ｃｍ。、２０３．２ｋＶ／ｃｍ（掺钨 量为０．０４）。但有３个有趣的现象值得我们注意：（１） 是虽然Ａ位、Ｂ位单独掺杂都会减小薄膜的晶粒尺寸， 但同时掺杂时，Ｂ位的掺杂对于晶粒尺寸的影响不大， 对薄膜的表面粗糙程度却有很大影响；（２）是当Ｂ位ｗ 的掺杂量＜ｏ．０４时，会增大薄膜的剩余极化，但超过 ０．０４时，效果会相反。这是由于Ｂ位的高价掺杂，一 方面会使薄膜Ｃ轴取向度降低，Ｐ 增大；另一方面，导 致Ｖ 的出现，晶胞的完整性降低，Ｐ 减小，这两者形 成竞争机制。当掺杂量＞０．０４时，后一种效应占主导 地位，Ｐｒ减小；（３）是Ｂ位ｗ掺杂可导致矫顽场的减 小，但当掺杂量达到０．０４时也将停止，原因也是晶胞 的不完整Ｌ２ 。 ４ ＢＩＴ基铁电薄膜疲劳特性的研究 关于ＢＩＴ基铁电薄膜材料的疲劳机制的研究成果 如下 Ｊ．Ｆ．Ｓｃｏｔｔ等人［２８］认为（Ｂｉ２Ｏ２）。＋层有净电荷，它 们在晶格中的位置可以自我调节以补偿薄膜中存在的 空间电荷。但这显然不能解释Ｐｔ／ＢＩＴ／Ｐｔ电容器出现 的疲劳现象。根据Ｐｔ／ＰＺＴ／Ｐｔ电容器的Ｖ６‘导致的 畴壁钉扎模型，人们又提出了两种抗疲劳机制，一是钙 钛矿结构中的氧的稳定性模型Ｌ１］。Ｂ．Ｈ．Ｐａｒｋ等人【】 认为，在ＢＬＴ薄膜中，正是由于易挥发的Ａ位的Ｂｉ被 化学稳定性强的Ｌａ取代后，钙钛矿结构中的Ｖ６‘减 少，才导致了抗疲劳特性的增强。但这其中存在两点 疑问：（１）掺Ｌａ量为０．７５的ＢＬＴ中，钙钛矿结构单元 是（Ｂｉ ． Ｌａ。． Ｔｉ。Ｏ 。） ，含有易挥发的Ｂｉ，却已呈现 抗疲劳特性［。。 ；其次，Ｊｕｎｇ—Ｋｕｎ Ｌｅｅ等人［３ｏ］通过实验 发现，对于ＢＬＴ薄膜，当掺Ｌａ量达到０．２５时，薄膜中 组成元素的化学稳定性已经达到了饱和，而ＢＬＴ薄膜 只是当掺Ｌａ量达到０．７５时才出现抗疲劳特性，而此 时薄膜内部应力正好达到最小，所以他们认为薄膜内 的应力也是影响其疲劳特性的因素；（２）是畴壁钉扎速 度和畴壁解钉扎速度的关系模型口卜州，但还有必要近 一步研究疲劳特性和介电常数之间的关系，这是由于 维普资讯 http://www.cqvip.com ３５４ 助 锨 尊孝 斟 ２００６年第３期（３７）卷 畴壁钉扎会导致畴密度和介电常数的增高Ｌ３ 。总之， Ｍ．ｗ．Ｃｈｕ等人Ｌ２钉认为畴壁钉扎在ＢＩＴ基铁电薄膜 的疲劳过程中并不占主导地位。 根据Ｐｔ／ＰＺＴ／Ｐｔ电容器的疲劳源于电极薄膜界 能、缺陷、晶格匹配程度、热膨胀系数差异等影响着薄 膜材料的生长，所以电极材料对于薄膜的性能有着很 大的影响。但现有的研究中，对于电极材料的制备、薄 膜电极界面性质的讨论并不多见，相关领域的探索是 今后应予以重视的。 参考文献： 面的反向畴核的生长被抑制的模型。Ｙ．Ｄｉｎｇ等人口阳 认为，在ＢＬＴ薄膜中，存在一种类似于ＳＢＴ中的反向 界面ＡＰＢｓ（ａｎｔｉｐｈａｓｅ ｂｏｕｎｄａｒｉｅｓ），在极化反转的过程 Ｐａｒｋ Ｂ Ｈ，Ｋａｎｇ Ｂ Ｓ，Ｂｕ Ｓ Ｄ，ｅｔ ａ１．［Ｊ１．Ｎａｔｕｒｅ（Ｌｏｎ－ 中，ＡＰＢｓ能提供额外的极化畴的核，而不像ＰＺＴ那样 ［１３ｄｏｎ），１９９９，４０１：６８２． 仅仅依赖于电极的表面，这样，就能避免由于电极表面 ［２３ Ｈｉｒｏｓｈｉ Ｉ，Ｍａｓａｒｕ Ｍ．Ｋｕｂｏ Ｔ．［Ｊ１．Ｊ Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ。２００１， 的极化畴核被抑制而发生疲劳。 通过对薄膜内缺陷结构的原子尺度特性的研究， 有人认为，薄膜晶体的表面形貌会产生一个特殊的电 极一薄膜界面，从而直接影响薄膜材料的疲劳特性。Ｍ． Ｗ．Ｃｈｕ等人［ 。］的研究结果是：Ｂｉ和Ｐｔ之间有着较强 的相互作用，会在电极一薄膜界面产生Ｂｉ—Ｐｔ合金，导致 Ｖ６。的积聚。高温退火后，Ｐｔ会进入薄膜内形成杂质 缺陷，与 ６。结合形成缺陷偶极子。在Ｐｔ—ＢＩＴ表面， 这些缺陷偶极子将钉扎周围极化子，从而导致疲劳。 而在ＢＬＴ的表面，由于交替呈现（Ｂｉ，Ｌａ）ＢｉＯ３和（Ｂｉ， Ｌａ）Ｔｉ０。缺陷层，它们会阻止Ｐｔ向薄膜内扩散，阻止 缺陷偶极子的产生，从而使得ＢＬＴ呈现抗疲劳特性。 ５ 结 语 综上所述，目前已对ＢＩＴ基铁电薄膜从制备工艺、 掺杂、疲劳机制等方面进行了大量的研究，已有的成果 是非常丰富的，但同时也存在一些值得人们继续关注 的领域： （１） 降低薄膜材料的矫顽场。如表１所示，剩余 极化的提高同时带来了矫顽场的增大，几乎所有的材 料的矫顽场都在１００ｋＶ／ｃｍ以上，这显然不符合要求。 已有的研究表明，要在保证剩余极化增大的同时降低 矫顽场，对材料进行Ｂ位的掺杂是可行的，但这个降低 的程度显然还达不到实用的要求，所以，如何通过新的 途径进一步降低薄膜的矫顽场是一个很具有挑战性的 课题； （２）对薄膜材料的极化反转过程进行更加深入 的研究。极化反转过程一般包括３个步骤：新畴成核、 新畴的生长以及新畴的合并［３ ，它与薄膜材料的疲劳 特性、矫顽场及畴结构的研究有着密切的关系，其中， 畴结构的研究是关键。现在，已有人对电畴取向、畴壁 等在外界影响（如电场、应力等）下的变化进行了实验 研究［２ 。但相关工作还需要倾注更大的精力； （３）有关薄膜的介电击穿现象的研究。铁电薄 膜的击穿过程至今仍未被人完全理解［３８］，而这对于薄 膜器件的使用寿命及操作有着至关重要的影响。所 以，在现有的漏电流的讨论的基础上，弄清薄膜在不同 的击穿时段的机理是一个潜在的研究方向； （４） 电极材料的选择和制备。由于铁电薄膜器 件是一种典型的异质结结构，薄膜和电极之间的界面 ９０：４０８９． ［３］Ｃｕｍｍｉｎｓ Ｓ Ｅ．Ｃｒｏｓｓ Ｌ Ｅ．［Ｊ１．Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ Ｌｅｔｔ，１９６７， １０：１４． Ｅ４］Ｍａｔｓｕｄｅ Ｈ，Ｓａｃｈｉｋｏ Ｉ。Ｔａｋａｓｈｉ Ｉ．［Ｊ］．Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ Ｌｅｔｔ， ２００３。８３：５０２３． ［５３ Ｚｈａｎｇ Ｓ Ｔ。Ｚｈａｎｇ Ｘ Ｊ。Ｃｈｅｎｇ Ｈ Ｗ，ｅｔ ａ１．［Ｊ］．Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ Ｌｅｔｔ，２００３，８３：４３７８． ［６３唐伟忠．薄膜材料制备原理、技术及应用［Ｍ］．北京：冶金 工业出版社．１９９９． ［７３ Ｒａｍｅｓｈ Ｒ，Ｓｃｈｌｏｍ Ｄ Ｇ．［Ｊ］．Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００２，２９６：１９７５． ［８］ Ｗａｔａｎａｂｅ Ｔ，Ｆｕｎａｋｕｂｏ Ｈ，Ｓａｉｔｏ Ｋ。ｅｔ ａ１．［Ｊ］．Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ Ｌｅｔｔ，２００２，８１：１６６０． ［９３ Ｚｈａｉ Ｊ Ｗ，Ｓｈｅｎ Ｂ，Ｙａｏ Ｘ，ｅｔ ａ１．［Ｊ］．Ｊ Ｃｒｙｓ Ｇｒｏ，２００４， ２６７：１１Ｏ． ［１Ｏ］Ｋｉｍ Ｊ’Ｓ，ＫｉｍＳ Ｓ，Ｋｉｍ Ｊ Ｋ，［Ｊ］．Ｊｐｎ Ｊ Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ，２００３， ４２：６４８６． ［１１］Ｈｏｕ Ｆ，Ｓｈｅｎ Ｍ Ｒ，Ｃａｏ Ｗ Ｗ，［Ｊ］．Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ， ２００５，４７１：３５． ［１２］ Ｂａｅ Ｊ Ｃ，Ｋｉｍ Ｓ Ｓ，Ｃｈｏｉ Ｅ Ｋ，ｅｔ ａ１．［Ｊ］．Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ，２００５，４７２：９０． ［１３３ Ｒｏｋｕｋａ Ｅ．Ｈｏｔｔａ Ｙ，Ｃｈｏｉ Ｊ Ｈ，ｅｔ ａ１．［Ｊ］．Ｊｐｎ Ｊ Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ Ｐａｒｔ １，２００１，４０：５５６４． ［１４］Ｈｉｇｕｃｈｉ Ｔ，Ｍａｋｏｔｏ Ｎ，Ｙｕｊｉ Ｈ，ｅｔ ａ１．［Ｊ］．Ｊｐｎ Ｊ Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ Ｐａｒｔ １，２００４，４３：６５８５． ［１５３ Ｋｉｍ Ｊ Ｋ．Ｋｉｍ Ｓ Ｓ，Ｋｉｍ Ｊ Ｈ，［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，２００３．１８：１８８４． ［１６］ Ｋａｔｏ Ｋ。Ｈｉｒｏｓｈｉ Ｉ，［Ｊ］．Ｋｅｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， ２００３，２４８：４１． ［１７］Ｃｈｏｎ Ｕ，Ｊａｎｇ Ｈ Ｍ，Ｋｉｍ Ｍ Ｇ，ｅｔ ａ１．［Ｊ］．Ｐｈｙｓ Ｒｅｖ Ｌｅｔｔ，２００２，８９：８７６０１． ［１８］Ｃｈｏｉ Ｅ Ｋ．Ｋｉｍ Ｓ Ｓ，Ｋｉｍ Ｊ Ｋ，ｅｔ ａ１．［Ｊ］．Ｊｐｎ Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ， ２００４，４３：２３７． ［２９］Ｇａｒｇ Ａ，Ｂａｒｂｒ ｚ Ｈ，Ｂａｗｂｅｒ Ｍ，ｅｔ ａ１．［Ｊ］．Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ Ｌｅｔｔ，２００３，８３：２４１４。 ［２ｏ］ Ｍａｔｓｕｄａ Ｈ，ｈｏ Ｓ，Ｌｉｊｉｍａ Ｔ，［Ｊ］．Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ Ｌｅｔｔ， ２００３，８３：５０２３． ［２１３ Ｃｈｏｎ Ｕ，Ｓｈｉｍ Ｊ Ｓ．Ｊａｎｇ Ｈ Ｍ．［Ｊ］．Ｊ Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ，２００３， ９３：４７６９． ［２２］ｈｅｎ Ｍ，Ｌｉｕ ｚ Ｌ．Ｗａｎｇ Ｙ，ｅｔ ａ１．［Ｊ］．Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｃｏｒｎ— ｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２００４，１３０：７３５． ［２３３ Ｌｉｍ Ｋ Ｔ，Ｋｉｍ Ｋ Ｔ，Ｋｉｍ Ｄ Ｐ，ｅｔ ａ１．［Ｃ］．Ｓｏｕｔｈ Ｋｏｒｅａｌ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｐｌａｓｍａ Ｓｃｉｅｎｃｅ。２００３． （下转第３５７页） 维普资讯 http://www.cqvip.com 张高明等：左手材料薄板波导中的传导模 ３５７ 图５（ａ）属于３．２情形（４）中的对称模；图５（ｂ）属 于情形（４）中的反对称模；图５（ｄ）属于情形（１）中的反 共存的现象，而右手材料薄板波导中不存在慢波模。 参考文献： ［１］Ｖｅｓｅｌａｇｏ Ｖ Ｇ．［Ｊ］．ＳＯｖ Ｐｈｙｓ Ｕｓｐ，１９６８，１０（４）；５０９— ５１４． 对称模（没有色散关系）；图５（ｃ）属于情形（１）中的对 称模（同一个ｙ一（２ Ｌ）／（ｆ７ｃ）对应两个不同的ｘ一 ２Ｌｈ／￣，即双模式共存）；图５（ｅ）属于情形（２）中的对称 模（没有色散关系）；图５（ｆ）属于情形（２）中的反对称 模；图５（ｇ）属于情形（３）中的对称模；图５（ｈ）属于情 形（３）中的反对称模。 ［２１ Ｓｈｅｌｂｙ Ｒ Ａ，Ｓｍｉｔｈ Ｄ Ｒ．Ｓｃｈｕｔｚ Ｓ．［Ｊ］．Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００１， ２９２：７７—７９． ［３３ Ｓｍｉｔｈ Ｄ Ｒ．Ｐａｄｉｌｌａ Ｗ Ｊ，Ｖｉｅｒ Ｄ Ｃ，ｅｔ ａ１．［Ｊ］．Ｐｈｙｓ Ｒｅｖ Ｌｅｔｔ，２０００，８４：４１８４—４１８７． ［４］Ｖａｌａ￣ｕ Ｐ Ｍ，Ｗａｌｓｅｒ Ｒ Ｍ，Ｖａｌａｎｊｕ Ａ Ｐ．［Ｊ］．Ｐｈｙｓ Ｒｅｖ ５ 结 语 本文基于左手材料薄板波导中传导模的色散方 程，分析并数值计算了波导材料和包敷材料参数取值 范围和波导中传导模存在与否之间的关系。揭示了左 Ｌｅｔｔ．２００２，８８（１０）：１８７４０１（１）一１８７４０１（４）． ［５］Ｐａｒａｚｚｏｌｉ Ｃ Ｇ，Ｇｒｅｅｇｏｒ Ｒ Ｂ，Ｌｉ Ｋ，ｅｔ ａ１．［Ｊ］＿Ｐｈｙｓ Ｒｅｖ Ｌｅｔｔ，２００３，９０（１Ｏ）：１０７４０１（１）一１０７４０１（１）． ［６］翦知渐，彭景翠，张高明，等．［Ｊ］．湖南大学学报，２００４，３１ （２）：１０ｉ－１０５． 手材料薄板波导中传导模的一些独特性质，如左手材 料薄板波导的对称快波模存在一个截止频率，而右手 材料薄板波导的对称模不存在截止频率；左手材料薄 板波导中存在慢波模，且在一定的条件下出现双模式 ［７］Ｓｈａｄｒｉｖｏｖ Ｉ Ｖ，Ｓｕｋｈｏｒｕｋｏｖ Ａ Ａ．Ｋｉｖｓｈａｒ Ｙ Ｓ．［Ｊ］．Ｐｈｙｓ Ｒｅｖ Ｅ．２００３，６７：０５７６０２（１）一０５７６０２（４）． ［８３ Ｓａｋｏｄａ Ｋ．Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｐｈｏｔｏｎｉｅ Ｃｒｙｓｔａｌｓ［Ｍ］． Ｂｅｒｌｉｎ：Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，２００ｉ．１７７－１８１． Ｇｕｉｄｅｄ ｍｏｄｅｓ ｉｎ ｌｅｆｔ－ｈａｎｄｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ（ＬＨＭ）ｓｌａｂ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ＺＨＡＮＧ Ｇａｏ—ｕｉｒｎｇ，ＰＥＮＧ Ｊｉｎ－ｃｕｉ，ＸＵ Ｙｕ—ｆｅｎｇ，ＪＩＡＮ Ｚｈｉ—ｊｉａｎ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｒｉｖｅｄ ｔｈｅ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｇｕｉｄｅｄ ｍｏｄｅｓ ｉｎ ｌｅｆｔ—ｈａｎｄｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ（ＬＨＭ）ｓｌａｂ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ，ａｎｄ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｇｕｉｄｅｄ ｍｏｄｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｖａｌｕｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ（ＬＨＭ）ａｎｄ ｔｈｅ ｃｌａｄｄｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｅｘａｍｐｌｅｓ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅｓｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｌａｂ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ；ｌｅｆｔ—ｈａｎｄｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ（ＬＨＭ）；ｇｕｉｄｅｄ ｍｏｄｅｓ；ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ （上接第３５４页） ［２４］ Ｕｏｎｇ Ｃｈｏｎｇ，Ｋｉｍ Ｋ Ｂ，Ｊａｎｇ Ｈ Ｍ．ｅｔ ａ１．［Ｊ］．Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ Ｌｅｔｔ，２００１，１９：３１３７． ［３１１ Ｄｉｍｏｓ Ｄ，Ｓｈａｒｅｅｆ Ｈ Ｎ Ａ，Ｗａｒｒｅｎ Ｗ Ｌ，ｅｔ ａ１．［Ｊ１．Ｊ Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ。１９９６，８０：１６８２． ［３２３ Ｓｈａｒｅｅｆ Ｈ Ｎ Ａ，Ｄｉｍｏｓ Ｄ，Ｂｏｙｌｅ Ｔ Ｊ，ｅｔ ａ１．［Ｊ］．Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ Ｌｅｔｔ，１９９６，６８：６９０． ［２５３ Ｋｉｍ Ｓ Ｓ，Ｂａｅ Ｊ Ｃ，Ｋｉｍ Ｗ Ｊ．［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ，２００５，２７４：３９４． ［３３３ Ｗｕ Ｄ，Ｌｉ Ａｉ Ｄ，Ｚｈｕ Ｔ．ｅｔ ａ１．［Ｊ］．Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ Ｌｅｔｔ。 ２０００，７６：２２０８． ［２６３ Ｋｉｍ Ｊ Ｋ。Ｓｏｎｇ Ｔ Ｋ，Ｋｉｍ Ｓ Ｓ，ｅｔ ａ１．［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｌｅｔ－ ｔｅｒｓ，２００４，５７ｌ９６４． ［３４］Ｗｕ Ｄ，Ｌｉ Ａｉ Ｄ，Ｚｈｕ Ｔ，ｅｔ ａ１．［Ｊ］．Ｊ Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ．２０００， ８８：５９４１． ［２７］Ｌｉ Ｗ，Ｙｉｎ Ｙ，Ｓｕ Ｄ，Ｚｈｕ Ｊ Ｓ．［Ｊ１．Ｊ Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ，２００５， ９７｝８４１０２． ［３５］Ｔａｇａｎｔｓｅｖ Ａ Ｋ，Ｓｔｏｌｉｃｈｎｏｖ Ｉ，Ｃｏｌｌａ Ｅ Ｌ。ｅｔ ａ１．［Ｊ１．Ｊ Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ，２００１，９０：１３８７． ［２８］ｄｅ Ａｒａｕｊｏ Ｃ Ａ Ｐ。Ｃｕｃｈｉａｒｏ Ｊ Ｄ，ＭｃＭｉｌｌａｎ Ｌ Ｄ，ｅｔ ａ１． ［Ｊ］．Ｎａｔｕｒｅ（Ｌｏｎｄｏｎ），１９９５，３７４：６２７． ［２９］Ｃｈｕ Ｍ Ｗ，Ｇａｎｎｅ Ｍ。Ｃａｌｄｅｓ Ｍ Ｔ，ｅｔ ａ１．［Ｊ１．Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ，２００３，６８；０１４１０２． ［３６］Ｄｉｎｇ Ｙ，Ｌｉｕ Ｊ Ｓ，Ｑｉｎ Ｈ Ｘ，ｅｔ ａ１．［Ｊ］．Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ Ｌｅｔｔ， ２００１，７８：４１７５． ［３Ｏ］Ｌｅｅ Ｊ Ｋ，Ｋｉｍ Ｃ Ｈ，Ｓｕｈ Ｈ Ｓ。ｅｔ ａ１．［Ｊ］ Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ Ｌｅｔｔ。２００２，８Ｏ ｌ ３５９３． ［３７］钟维烈．铁电体物理学［Ｍ］．北京：科学出版社，２０００．６． ［３８１ Ｓｃｏｔｔ Ｊ Ｆ．铁电存储器［Ｍ］．北京：清华大学出版社， ２００４．９． Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ ｓｔｕｄｉｅｓ ０ｎ ＢＩＴ－ｂａｓｅｄ ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｅ ｔｈｉｎ ｆｉＩｍｓ ＺＨＡＮＧ Ｄｕａｎ—ｍｉｎｇ ，ＹＡＮＧ Ｂｉｎ ”，ＷＥＩ ＮＪａｎｌ，ＬＩ Ｚｈｉ—ｈｕａ ， ＺＨＥＮＧ Ｃｈａｏ—ｄａｎ ，ＷＵ Ｙｕｎ—ｙｉ ”，ＧＵＯ Ｄｏｎｇ—ｙｕｎ ，ＷＡＮＧ Ｌｏｎｇ—ｈａｌ ，ＹＡＮＧ Ｗｅｉ—ｒｎｉｎｇ ， ＷＡＮＧ Ｙｕｎ－ｂｏ ，ＧＡＯ Ｊｕｎ—ｘｉｏｎｇ ，ＹＵ Ｊｕｎ （１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｈ ｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ８Ｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ８Ｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｈ ｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＢＩＴ－ｂａｓｅｄ ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍｓ ｈａｖｅ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｆｅｒｒｏｅｌｅ￣ｔｒｉｃ／ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｐｒｏｍｉｓｉｎｇ ａｐｐｌｉ— ｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｉｎ ｎｏｎ－ｖｏｌａｔｉｌｅ ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｄｏｐｉｎｇ ａｎｄ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｗｅ ｄｉｓｃｕｓｓ ｓｅｖｅｒａｌ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｃｑｕｉｒｅｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｂｉ３ Ｔｉ４ Ｏｌ２（ＢＩＴ）；ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ；ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ；ｄｏｐｉｎｇ；ｆａｔｉｇｕｅ
