二氧化铪（HfO2）是代表性的高介电常数材料,已成功应用于65 nm及以下技术节点的互补金属氧化物半导体（CMOS）集成电路大规模工业化生产。2011年,德国Qimonda公司的T.B（?）scke等首先报道了 Si掺杂HfO2纳米薄膜的铁电和反铁电性质,这一新发现赋予了 HfO2更加丰富的研究内涵和全新的应用价值。HfO2基新型铁电薄膜兼具无铅、物理膜厚超薄、特别是优秀的Si基CMOS集成工艺兼容性等显著优点,因此被迅速应用于铁电非易失存储器件的工业级研发,并已在集成密度和记忆保持性能等方面取得了重大突破。极化翻转是铁电存储器件实现“0、1”信息读写的物理基础,而在交变电场循环加载下极化翻转的稳定性直接决定器件的服役可靠性。为此,在新掺杂成分探索、制备工艺优化、微观结构分析与理论计算和器件集成等努力外,极化翻转特性的表征与解析也成为HfO2基铁电薄膜研究领域的关注焦点。大量研究表明,在电场循环加载下,HfO2基铁电薄膜的极化翻转呈现电滞回线唤醒（wake-up）、疲劳（fatigue）和亚循环致翻转电流峰劈裂（split-up）等复杂演变过程,探明各个过程的微观机理并提出可行的改善措施将有效推动HfO2基铁电存储器件的商业化量产进程。目前,人们提出了多种wake-up效应相关机制,但对其主导机制仍没有形成统一的认识,同时,关于疲劳和亚循环行为的研究尚处于起步阶段,对其产生机制仍知之甚少。深入研究这些问题,既可以在基础物理层面加深对HfO2基铁电材料的认识,也将为制备高性能HfO2基铁电存储器件提供必要的科学依据。本论文以掺杂量为5.3 mol%的硅掺杂二氧化铪（Si:HfO2）铁电薄膜为研究对象,借助于P-E电滞回线、I-E瞬态电流曲线、C-E电容-电场特性曲线以及一阶回转曲线（FORC）翻转密度分布等电学性能测试,首先研究了电场频率和测试温度对Si:HfO2铁电薄膜电畴翻转动力学行为的影响规律,并以此为基础对wake-up效应的温度依赖性、疲劳和亚循环行为的电场频率、幅值及温度依赖性进行详细的表征和分析。论文的主要研究内容及结果如下:（1）通过测试样品在10 Hz-50 kHz频率范围内和100-350K(温度范围内P-E、I-E和C-E曲线的演变,并结合FORC翻转密度分布随温度的变化,证实了 Si:HfO2铁电薄膜的极化翻转行为存在明显的频率和温度依赖性。随着测试电场频率的增大,薄膜的矫顽场由10 Hz的0.75 MV/cm呈指数增加为50 kHz的1.34 MV/cm,而随着测试温度的升高,矫顽场数值从100 K的1.27MV/cm线性减小至350 K的0.93 MV/cm。极化翻转动力学模型拟合结果表明,Si:HfO2铁电薄膜的极化翻转行为符合形核限制翻转模型,极化翻转由电畴形核时间和它们的统计分布所决定。（2）对不同测试温度下（110-350K）Si:HfO2铁电薄膜的唤醒（wake-up）效应进行了详细的表征。分别基于剩余极化和内偏场随循环次数的演变提取了 wake-up效应的速率常数并计算得到了 wake-up效应的激活能为26.8±0.9和29.5 ± 2.5 meV。通过与已有的HfO2铁电薄膜以及PZT、SBT等传统铁电材料中计算得到的激活能数值进行比较,并结合常温下的翻转密度分布演变、XPS和C-E曲线测试结果,分析了 Si:HfO2铁电薄膜wake-up效应的主导机制。结果表明,Si:HfO2铁电薄膜的wake-up效应由界面处高浓度氧空位向膜内的均匀化运动所主导,电场循环期间不对称的局域电场做功促进了氧空位的运动,计算得到的激活能反映了氧空位的运动势垒。（3）基于Si:HfO2铁电薄膜的矫顽场分布及其频率依赖性,分析了 Si:HfO2铁电薄膜亚循环致翻转电流峰劈裂行为的产生诱因及其与疲劳效应的关系,进而对不同电场频率、幅值和测试温度下亚循环行为的演变进行了详细的表征。结果表明,循环电场幅值的降低、频率的增加和测试温度的升高都将加剧Si:HfO2铁电薄膜的亚循环行为,从而导致更为严重的P-E电滞回线的扭曲变形及I-E曲线中翻转电流峰的劈裂现象。通过将亚循环前后样品的翻转密度分布与电畴单元的翻转行为相对应,确定了薄膜中分布及强度不同的局域内偏场的产生是导致亚循环行为的主要原因。利用建立的“氧空位运动、偏聚致内偏场产生”模型对亚循环期间薄膜极化状态、内部电场和缺陷分布等变化过程进行了详细的分析,并根据该模型解释了亚循环行为对循环电场频率、幅值和测试温度的依赖性。