搜索

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

铁电薄膜漏电流的应变调控

文娟辉 杨琼 曹觉先 周益春

引用本文:
Citation:

铁电薄膜漏电流的应变调控

文娟辉, 杨琼, 曹觉先, 周益春

Strain control of the leakage current of the ferroelectric thin films

Wen Juan-Hui, Yang Qiong, Cao Jue-Xian, Zhou Yi-Chun
PDF
导出引用
  • 基于密度泛函理论的第一性原理并结合非平衡格林函数, 探讨了应变对 BaTiO3 铁电薄膜漏电流的影响规律.研究表明,压应变能有效地抑制BaTiO3 铁电薄膜漏电流, 特别是当压应变为4%时,其漏电流相对无应变状态降低了近10 倍.通过考察体系的透射系数和电子态密度发现: 一方面压应变状态下铁电隧道结的透射几率要比张应变时小,特别是在费米面附近;另一方面随着张应变过渡至压应变时,价带的位置逐渐向低能区移动而导带向高能区移动,导致了其带隙的增大, 从而有效抑制了漏电流. 本研究为寻找抑制铁电薄膜漏电流,提高铁电薄膜及铁电存储器的性能提供合适的方法.
    Combining nonequilibrium Green's functions and first-principles quantum transport calculations in density-functional theory, we investigate the effect of biaxial strain on the leakage current of BaTiO3 ferroelectric thin film. The results show that the compressive strain can effectively reduce the leakage current of ferroelectric thin film. Especially when the compressive strain is 4%, the leakage current will be reduced by nearly 10 times that of strain-free case. By calculating the transmission coefficient and the density of states, we find that the transmission probability of ferroelectric tunnel junction with compressive strain is smaller than that with tensile strain. Moreover, we find that the valence band shifts toward the lower energy zone while the conduction band moves toward the high energy zone, which leads to the enlarged energy band gap, thereby reducing the leakage current. Our study suggestes a suitable way to reduce the ferroelectric thin film leakage current and improve the performance of ferroelectric thin film and its relevant ferroelectric memory.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 11074212, 11032010)和 湖南省教育厅青年项目(批准号: 10B104)资助的课题.
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11074212, 11032010) and the Research Foundation of Education Bureau of Hunan Province, China (Grant No. 10B104).
    [1]

    Yang Y, Zhang S R, Liu J S, Zhang H W, Liu M 2006 Insulating Mater. 39 51 (in Chinese) [杨艳, 张树人, 刘敬松, 张洪伟, 刘蒙 2006 绝缘材料 39 51]

    [2]

    Velev J P, Duan C G, Belashchenko K D, Jaswal S S, Tsymbal E Y 2007 Phys. Rev. Lett. 98 137201

    [3]

    Tsymbal E Y, Kohlstedt H 2006 Science 313 181

    [4]

    Wang H 2004 Acta Phys. Sin. 53 1265 (in Chinese) [王华 2004 53 1265]

    [5]

    Wang Y L, Wei T R, Liu B T, Deng Z C 2007 Acta Phys. Sin. 56 2931 (in Chinese) [王英龙, 魏同茹, 刘保亭, 邓泽超 2007 56 2931]

    [6]

    Li J J, Yu J, Li J, Wang M, Li Y B, Wu Y Y, Gao J X, Wang Y B 2010 Acta Phys. Sin. 59 1302 (in Chinese) [李建军, 于军, 李佳, 王梦, 李玉斌, 吴云翼, 高俊雄, 王耘波 2010 59 1302]

    [7]

    Simões A Z, Ramírez M A, Longo E, Varela J A 2008 Mater. Chem. Phys. 107 72

    [8]

    Seidel J, Martin L W, He Q, Zhan Q, Chu Y H, Rother A, Hawkridge M E, Maksymovych P, Yu P, Gajek M, Balke N, Kalinin S V, Gemming S, Wang F, Catalan G, Scott J F, Spaldin N A, Orenstein J, Ramesh R 2009 Nat. Mater. 8 229

    [9]

    Shen X N, Wang H 1996 Funct. Mater. 27 295 (in Chinese) [沈效农, 王弘 1996 功能材料 27 295]

    [10]

    Cheng H G, Liu Z L, Yao K L 2011 Appl. Phys. Lett. 98 172107

    [11]

    Jia J F, Huang K, Pan Q T, Li S G, He D Y 2006 Acta Phys. Sin. 55 2069 (in Chinese) [贾建峰, 黄凯, 潘清涛, 李世国, 贺德衍 2006 55 2069]

    [12]

    Scott J F 2007 Science 315 954

    [13]

    Luo X, Lin S P, Wang B, Zheng Y 2010 Appl. Phys. Lett. 97 012905

    [14]

    Luo X, Wang B, Zheng Y 2011 ACS Nano 5 1649

    [15]

    Kresse G, Joubert D 1999 Phys. Rev. B 59 1758

    [16]

    Perdew J P, Ruzsinszky A, Csonka G I, Vydrov O A, Scuseria G E, Constantin L A, Zhou X L, Burke K 2008 Phys. Rev. Lett. 100 136406

    [17]

    Monkhorst H J, Pack J D 1976 Phys. Rev. B 13 5188

    [18]

    Brandbyge M, Mozos J L, Ordejón P, Taylor J, Stokbro K 2002 Phys. Rev. B 65 165401

    [19]

    Pertsev N A, Zembilgotov A G, Tagantsev A K 1998 Phys. Rev. Lett. 80 1988

    [20]

    Datta S 1995 Electronic Transport in Mesoscopic Systems (Cambridge: Cambridge University Press) p7

    [21]

    Luo X, Wang B, Zheng Y 2009 J. Appl. Phys. 106 073711

    [22]

    Es-Souni M, Zhang N, Iakovlev S, Solterbeck C H, Piorra A 2003 Thin Solid Films 440 26

  • [1]

    Yang Y, Zhang S R, Liu J S, Zhang H W, Liu M 2006 Insulating Mater. 39 51 (in Chinese) [杨艳, 张树人, 刘敬松, 张洪伟, 刘蒙 2006 绝缘材料 39 51]

    [2]

    Velev J P, Duan C G, Belashchenko K D, Jaswal S S, Tsymbal E Y 2007 Phys. Rev. Lett. 98 137201

    [3]

    Tsymbal E Y, Kohlstedt H 2006 Science 313 181

    [4]

    Wang H 2004 Acta Phys. Sin. 53 1265 (in Chinese) [王华 2004 53 1265]

    [5]

    Wang Y L, Wei T R, Liu B T, Deng Z C 2007 Acta Phys. Sin. 56 2931 (in Chinese) [王英龙, 魏同茹, 刘保亭, 邓泽超 2007 56 2931]

    [6]

    Li J J, Yu J, Li J, Wang M, Li Y B, Wu Y Y, Gao J X, Wang Y B 2010 Acta Phys. Sin. 59 1302 (in Chinese) [李建军, 于军, 李佳, 王梦, 李玉斌, 吴云翼, 高俊雄, 王耘波 2010 59 1302]

    [7]

    Simões A Z, Ramírez M A, Longo E, Varela J A 2008 Mater. Chem. Phys. 107 72

    [8]

    Seidel J, Martin L W, He Q, Zhan Q, Chu Y H, Rother A, Hawkridge M E, Maksymovych P, Yu P, Gajek M, Balke N, Kalinin S V, Gemming S, Wang F, Catalan G, Scott J F, Spaldin N A, Orenstein J, Ramesh R 2009 Nat. Mater. 8 229

    [9]

    Shen X N, Wang H 1996 Funct. Mater. 27 295 (in Chinese) [沈效农, 王弘 1996 功能材料 27 295]

    [10]

    Cheng H G, Liu Z L, Yao K L 2011 Appl. Phys. Lett. 98 172107

    [11]

    Jia J F, Huang K, Pan Q T, Li S G, He D Y 2006 Acta Phys. Sin. 55 2069 (in Chinese) [贾建峰, 黄凯, 潘清涛, 李世国, 贺德衍 2006 55 2069]

    [12]

    Scott J F 2007 Science 315 954

    [13]

    Luo X, Lin S P, Wang B, Zheng Y 2010 Appl. Phys. Lett. 97 012905

    [14]

    Luo X, Wang B, Zheng Y 2011 ACS Nano 5 1649

    [15]

    Kresse G, Joubert D 1999 Phys. Rev. B 59 1758

    [16]

    Perdew J P, Ruzsinszky A, Csonka G I, Vydrov O A, Scuseria G E, Constantin L A, Zhou X L, Burke K 2008 Phys. Rev. Lett. 100 136406

    [17]

    Monkhorst H J, Pack J D 1976 Phys. Rev. B 13 5188

    [18]

    Brandbyge M, Mozos J L, Ordejón P, Taylor J, Stokbro K 2002 Phys. Rev. B 65 165401

    [19]

    Pertsev N A, Zembilgotov A G, Tagantsev A K 1998 Phys. Rev. Lett. 80 1988

    [20]

    Datta S 1995 Electronic Transport in Mesoscopic Systems (Cambridge: Cambridge University Press) p7

    [21]

    Luo X, Wang B, Zheng Y 2009 J. Appl. Phys. 106 073711

    [22]

    Es-Souni M, Zhang N, Iakovlev S, Solterbeck C H, Piorra A 2003 Thin Solid Films 440 26

  • [1] 黄盛星, 陈健, 王文菲, 王旭东, 姚曼. 新型双过渡金属MXene热电输运性能第一性原理计算.  , 2024, 73(14): 146301. doi: 10.7498/aps.73.20240432
    [2] 陈翠红, 李占奎, 王秀华, 李荣华, 方芳, 王柱生, 李海霞. 高性能PIN-硅探测器的研制及其在高能放射性核束实验中的应用测试.  , 2023, 72(12): 122902. doi: 10.7498/aps.72.20230213
    [3] 王娜, 许会芳, 杨秋云, 章毛连, 林子敬. 单层CrI3电荷输运性质和光学性质应变调控的第一性原理研究.  , 2022, 71(20): 207102. doi: 10.7498/aps.71.20221019
    [4] 白刚, 韩宇航, 高存法. (111)取向无铅K0.5Na0.5NbO3外延薄膜的相变和电卡效应: 外应力与错配应变效应.  , 2022, 71(9): 097701. doi: 10.7498/aps.71.20220234
    [5] 石志鑫, 周大雨, 李帅东, 徐进, UweSchröder. 一阶回转曲线图谱法及其在HfO2基铁电薄膜极化翻转行为研究中的应用.  , 2021, 70(12): 127702. doi: 10.7498/aps.70.20210115
    [6] 罗娅, 张耘, 梁金铃, 刘林凤. 铜铁镁三掺铌酸锂晶体的第一性原理研究.  , 2020, 69(5): 054205. doi: 10.7498/aps.69.20191799
    [7] 侯璐, 童鑫, 欧阳钢. 一维carbyne链原子键性质应变调控的第一性原理研究.  , 2020, 69(24): 246802. doi: 10.7498/aps.69.20201231
    [8] 梁金铃, 张耘, 邱晓燕, 吴圣钰, 罗娅. 铁镁共掺钽酸锂晶体的第一性原理研究.  , 2019, 68(20): 204205. doi: 10.7498/aps.68.20190575
    [9] 佘彦超, 张蔚曦, 王应, 罗开武, 江小蔚. 氧空位缺陷对PbTiO3铁电薄膜漏电流的调控.  , 2018, 67(18): 187701. doi: 10.7498/aps.67.20181130
    [10] 任舰, 闫大为, 顾晓峰. AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管漏电流退化机理研究.  , 2013, 62(15): 157202. doi: 10.7498/aps.62.157202
    [11] 谢东, 冷永祥, 黄楠. C掺杂TiO薄膜的制备及其第一性原理研究.  , 2013, 62(19): 198103. doi: 10.7498/aps.62.198103
    [12] 黄有林, 侯育花, 赵宇军, 刘仲武, 曾德长, 马胜灿. 应变对钴铁氧体电子结构和磁性能影响的第一性原理研究.  , 2013, 62(16): 167502. doi: 10.7498/aps.62.167502
    [13] 周春宇, 张鹤鸣, 胡辉勇, 庄奕琪, 吕懿, 王斌, 李妤晨. 应变Si NMOSFET漏电流解析模型.  , 2013, 62(23): 237103. doi: 10.7498/aps.62.237103
    [14] 吴木生, 徐波, 刘刚, 欧阳楚英. 应变对单层二硫化钼能带影响的第一性原理研究.  , 2012, 61(22): 227102. doi: 10.7498/aps.61.227102
    [15] 卢志鹏, 祝文军, 卢铁城, 刘绍军, 崔新林, 陈向荣. 单轴应变条件下Fe从α到ε结构相变机制的第一性原理计算.  , 2010, 59(6): 4303-4312. doi: 10.7498/aps.59.4303
    [16] 孙源, 黄祖飞, 范厚刚, 明星, 王春忠, 陈岗. BiFeO3中各离子在铁电相变中作用本质的第一性原理研究.  , 2009, 58(1): 193-200. doi: 10.7498/aps.58.193.1
    [17] 孙源, 明星, 孟醒, 孙正昊, 向鹏, 兰民, 陈岗. 多铁材料BaCoF4电子结构的第一性原理研究.  , 2009, 58(8): 5653-5660. doi: 10.7498/aps.58.5653
    [18] 黄云霞, 曹全喜, 李智敏, 李桂芳, 王毓鹏, 卫云鸽. Al掺杂ZnO粉体的第一性原理计算及微波介电性质.  , 2009, 58(11): 8002-8007. doi: 10.7498/aps.58.8002
    [19] 王秀章, 刘红日. La0.3Sr0.7TiO3模板层对Pb(Zr0.5Ti0.5)O3薄膜的铁电性能增强效应的研究.  , 2007, 56(3): 1735-1740. doi: 10.7498/aps.56.1735
    [20] 贾建峰, 黄 凯, 潘清涛, 李世国, 贺德衍. 溶胶-凝胶法制备MgO/(Ba0.8Sr0.2)TiO3多层薄膜及其介电和漏电特性研究.  , 2006, 55(4): 2069-2072. doi: 10.7498/aps.55.2069
计量
  • 文章访问数:  7810
  • PDF下载量:  1025
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2012-10-23
  • 修回日期:  2012-11-16
  • 刊出日期:  2013-03-05

/

返回文章
返回
Baidu
map