HfO₂基铁电材料准静态负电容机理

摘要

HfO₂基铁电薄膜的负电容现象提供了解决微纳电子器件功耗问题的可行策略，但其物理图像却一直饱受争议。基于Landau-Devonshire和Landau-Khalatnikov方程，对铁电HfO₂/介质双层体系开展了理论模拟。结果表明：根植于零场吉布斯自由能及准静态极化-电场曲线的准静态负电容理论，难以如实反映极化-电场动态演化轨迹。与准静态负电容理论的预言不同，HfO₂/介质体系的负电容强烈依赖于介质层分压效应，具有瞬态属性。回滞现象与Landau-Khalatnikov方程中的阻尼系数相关，本质上起源于热耗散过程，基于电容匹配原理很难完全消除回滞。与阻尼系数相关的热耗散随频率增大而急剧增加，因此负电容场效应晶体管并不适用于高频应用领域。该研究有助于深入理解HfO₂基体系中的负电容物理起源。

关键词

负电容 / 极化-电压曲线 / 回滞 / 吉布斯自由能 / 热耗散 / 氧化铪基铁电材料