铁电薄膜具有优异的铁电和介电等性能，被广泛应用于非挥发易失性存储器和动态随机存储器等微电子器件。铁电薄膜相较于块体材料存在着高的漏电流和介电损耗以及大的印记效应等问题，一定程度上影响了其在微电子器件上的应用。为了解决上述问题，人们发现将铁电材料与其他材料组合形成铁电超晶格薄膜可以有效地调控电学性能。理论研究结果表明，影响铁电超晶格电学性能的主要因素是晶格应变和界面静电耦合作用。目前，铁电超晶格研究工作主要选择不同的晶体结构或晶格失配较大的母材料，利用晶格应变调控铁电超晶格的电学性能。但是，界面静电耦合作用对电学性能的影响也不容忽视。为此，我们选择了晶格失配度较小的BaTiO3 (BTO)和PbZr0.52Ti0.48O3 (PZT) 作为铁电超晶格的母材料，并系统地研究了该超晶格的电学性能。如图1所示，我们利用脉冲激光沉积法在SrTiO3衬底上制备了高质量的BTO/PZT铁电超晶格薄膜。电学性能测试结果显示，其漏电流、介电性能和铁电性能都得到了眀显的改善。BTO/PZT超晶格的漏电流比BTO和PZT薄膜降低了2～3个量级（Fig. 2(a)）。在10 kHz，BTO/PZT超晶格的介电常数约为682，增加了100 %，而介电损耗仅为0.02，远低于BTO和PZT薄膜（图2(b)）。与此同时，BTO/PZT超晶格的印记效应眀显减弱。XPS化学价态分析结果表明，由于BTO和PZT之间的较大的铁电极化差，在BTO/PZT界面有氧空位富集。所以，超晶格中的BTO/PZT界面是提介电性能和改善漏电流和铁电性能的主要原因。相关研究成果已发表在ACS Applied Materials & Interfaces, 8 (2016) 6736。
Fig. 2 Cross-sectional low-magnification and high-resolution TEM images of the BTO/PZT superlattices grown on the (001)STO substrates, and a schematic diagram of interface structure.
Fig. 2 (a) Leakage current density (J) as a function of the electric voltage (E) for the pure PZT and BTO films, and the BTO/PZT superlattices. (b) Frequency dependence of the dielectric constants (εr) and loss tangent (tanδ) for the pure PZT and BTO films, and the BTO/PZT superlattices. |
