NatureMaterials钛酸钡

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钛酸钡BaTiO3单晶材料,表现出较小的翻转磁场switchingfields和能量,但薄膜性能相当不好,因此阻碍了其在下一代器件中的应用。

近日,美国加利福尼亚大学伯克利分校(UniversityofCalifornia,Berkeley),劳伦斯伯克利国家实验室(LawrenceBerkeleyNationalLaboratory)L.W.Martin团队Y.Jiang等,在NatureMaterials上发文,报道展示了高质量BaTiO3薄膜,其理化性质接近于块体材料。厚度缩放提供了未来应用所需的矫顽电压(mV)和磁场(10kVcm-1),并产生2Jcm-3转换能量switchingenergy(对应于10×10×10nm3器件中每比特2AJ)。虽然薄膜厚度的减小,降低了矫顽电压,但这是以牺牲剩余极化为代价的。退极化场影响较厚薄膜中的极性态稳定性,但幸运的是抑制了矫顽场,从而导致偏离Janovec-Kay-Dunn标度,并使厚度nm薄膜,具有恒定的矫顽场。翻转Switching研究揭示了,高速(在25nm厚薄膜的5μm直径电容器中,开关时间约为2ns)和亚纳秒开关的途径。最后,展示了BaTiO3薄膜,在硅衬底上的集成。还讨论了如何将这些材料用于下一代设备。

Enablingultra-low-voltageswitchinginBaTiO3.BaTiO3超低电压翻转图1:BaTiO3薄膜的铁电和结构特性综述。图2:在60mTorr下,生长的BaTiO3薄膜尺寸缩放。图3:在60mTorr下生长的BaTiO3薄膜的开关动力学Switching-dynamics研究。图4:将BaTiO3薄膜集成到SrTiO3/Si衬底上。该项研究,通过脉冲激光沉积合成了,接近“本征”铁电性能的BaTiO3薄膜,克服了这种薄膜性能下降的历史趋势。厚度缩放研究揭示了,低开关电压(mV)和场(10kVcm-1)以及低开关能量(2Jcm-3)。开关动力学研究揭示了快速开关(~2ns)和亚纳秒开关途径。类似地,通过将BaTiO3薄膜集成到硅上,也实现了良好的性能。研究表明,铁电氧化物在低电压、低功耗、超快速、非易失性存储器和逻辑器件中的应用潜力,也许能够超越互补金属氧化物半导体CMOS器件。其中,厚度为25–50nm的BaTiO3薄膜,是此类应用的良好候选者。研究表明,退极化场(来自电极的不完全屏蔽),仍然对最薄的,薄膜构成挑战(由于剩余极化的崩溃),并且需要进一步解决,以实现电子设备中的实际尺寸缩放。需要探索更高载流子密度的氧化物电极,或者设计铁电体和电极之间的界面,以提高铁电稳定性,从而能够将铁电材料结合到下一代器件。文献链接:


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