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基于铪基铁电材料非易失性存储器的

特性研究

基于铪基铁电材料非易失性存储器的特性研究

摘要：随着信息技术的发展，非易失性存储器（NVM）成为了

当前技术发展的主流方向。铁电材料因其具有快速读写、高密

度集成、低功耗等优点成为NVM的研究热点。本文以铪基铁电

材料为例，通过宏观实验和微观模拟相结合的研究方法，探讨

铁电材料在NVM中的应用特点。实验结果表明，铪基铁电材料

具有较高的铁电畴偏转电场、相对应的较高的两极性比、较大

的剩余极化和较低的初始极化，这些特性和材料内部微观结构、

化学成分有关。此外，本文从材料的内部结构、局部场信号以

及外部场信号的影响等角度探讨铁电材料的物理特性和应用特

点，分析了铁电存储器的读写机制、稳定性和可靠性等方面的

问题。本研究可以为铁电材料在NVM中的应用提供较为全面的

理论和实验基础。

关键词：铁电材料；非易失性存储器；铁电畴；读写机制；稳

定性；可靠

1.引言

随着信息技术的高速发展，非易失性存储器（NVM）成为目前

各种电子设备中最为主流的存储器类型。相比传统的易失性存

储器，NVM不需要外部电源维持存储状态，同时具有读写速度

快、功耗低等优点。传统的NVM主要包括闪存、EEPROM、磁盘

等存储器类型，但这些存储器在读写速度、密度集成、寿命等

方面还有不足之处。因此，研究新型NVM材料和技术成为了当

前科学技术领域的热点之一。

铁电材料因其出色的电性能和非易失性存储特性，成为了NVM

研究领域的热点之一。铁电材料在外加电场的作用下，可以产

生和维持一些稳定的电偏转状态，这种偏转状态可以用于非易

失性存储器的存储元件。目前，铁电材料逐渐被应用于智能卡、

智能手机、固态硬盘等电子产品中。

铁电材料的内部结构包含有序的铁电畴，在外加电场的作用下

可以发生翻转。这种畴翻转过程是铁电材料实现非易失性存储

的关键。因此，了解铁电畴的翻转机制，以及铁电材料微观结

构、化学成分对NVM性能的影响非常重要。

2.铁电材料的宏观特性

宏观实验是了解铁电材料性能和应用特点的重要手段之一。通

过实验可以测量和分析铁电材料的铁电畴偏转电场、两极性比、

剩余极化、初始极化等特性参数，为铁电材料在NVM中的应用

提供理论基础。

2.1铁电畴偏转电场

铁电材料中的铁电畴可以在外界电场的作用下发生偏转，并且

可以维持偏转状态，这种偏转需要一定的电场强度。在铁电材

料中，铁电畴的偏转电场越大，偏转状态越容易维持，对于非

易失性存储器而言，这种特性非常重要。

研究表明，铪基铁电材料的偏转电场与内部微观结构、化学成

分有关。举例来说，La-dopedHfO2铁电材料中引入小量的La

元素可以改变材料的电导率和铁电性能，使得偏转电场得到显

著提高。

2.2两极性比

两极性比是铁电材料的一个重要特性参数，它定义为材料在电

压极性翻转时的电荷密度比。两极性比越大，说明材料在极性

翻转时的电荷密度差异越大。研究也发现，在一些情况下，两

极性比与材料的内部微观结构、化学成分之间存在非常复杂的

关系。

例如，研究发现，对于SrBi2Ta2O9铁电材料，引入小量的La

可以显著提高其两极性比，并改善材料的铁电性能和非易失性。

2.3剩余极化和初始极化

铁电材料的剩余极化和初始极化是衡量铁电材料性能的重要特

性之一。剩余极化指的是在没有外界电场的情况下，铁电材料

里铁电畴的偏转状态所产生的极化电荷，而初始极化则表示在

有外界电场作用下，铁电材料中铁电畴达到最大偏转时所产生

的极化电荷。

铁电材料的剩余极化是可以保持很长时间的，因此可以用于非

易失性存储器中。实验结果表明，铪基铁电材料的剩余极化受

到材料内部微观结构和化学成分等因素的影响，这对于铁电材

料的应用非常重要。

3.铁电材料的微观特性和应用特点

除了宏观特性，非易失性存储器的性能还受到铁电材料的微观

结构、局部场信号、外部场信号等因素的影响。因此，通过微

观模拟等手段研究铁电材料的内部结构和特性，对提高铁电存

储器的可靠性和稳定性非常重要。

3.1读写机制

铁电存储器的读写机制可以分为电学读、热读、光读等不同种

类。其中，电学读写是非易失性存储器中最常用的一种，它利

用外加的读、写电压与铁电材料的内部结构和畴状态之间的相

互作用来实现存储元件的读写操作。实验观测表明，铁电畴的

掺杂可以显著影响读写操作的成功率和性能。

3.2稳定性

铁电存储器的稳定性是衡量其可靠性的重要指标之一，因此提

高铁电存储器的稳定性成为了目前