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随着科学技术的不断进步,人们对外太空的探索及开发越来越频繁。众所周知,外太空中充斥着大量的辐射,这些辐射会对航天器上的电子器件造成严重的辐射损伤。传统的基于Si基半导体材料的Flash存储器中,SiO2构成绝缘层,起到绝缘和存储隧穿电荷以控制晶体管开关的作用。因此,Si O2的绝缘能力对存储器的性能,如数据保持能力等,起到至关重要的作用。辐射会在栅氧层SiO2中产生大量缺陷,使栅氧层绝缘性能下降,进而导致存储的数据丢失。通过极化特性来存储信息的铁电存储器与传统的Flash存储器件有着本质的区别,铁电存储器通过原子在两个稳定状态之间的移动来存储及擦除数据,这使得铁电存储器具有优异的抗辐射能力。因此,在外太空的电子器件上使用铁电存储器能极大降低辐射对电子器件的损伤效果。然而,铁电存储器的抗辐射能力也是有限的。外太空中通量很低但是能量巨大的快重离子可能会给铁电存储器带来严重的辐射损伤,产生大量的反冲原子并形成级联碰撞反应,在铁电栅极中产生大量缺陷,从而影响铁电存储器的性能,甚至使铁电存储器永久失效。在高能重离子辐射过程中,反冲原子的存在对辐射损伤效应起着至关重要的作用。为了探究高能重离子对栅氧层和铁电栅极造成的辐射损伤效应以及辐射损伤的深层机理,本文通过分子动力学方法研究了高能重离子产生的反冲原子在栅氧层和铁电栅极中造成级联碰撞过程,分析了缺陷的形成对栅氧层和铁电栅极性能的影响。本文通过计算模拟高能重离子在栅氧层SiO2中以及铁电薄膜BaTiO3中的级联碰撞过程,分析了级联碰撞过程中初级反冲原子（PKA）对材料的性能造成的影响。首先使用Monte-Carlo方法模拟了Au离子轰击SiO2薄膜,得到了反冲原子的数量变化及能量范围,发现反冲原子的平均能量低于200 eV。用纯分子动力学方法模拟了不同初始能量下PKASi和PKAO在栅氧层中的级联碰撞过程,得到了缺陷的类型及数量,并发现了三种主要缺陷,分别为Si3、Si5和O1。计算发现,缺陷的数量与PKA的类型无关,两种PKA产生的缺陷的数量相当。当PKA能量为200 eV时,PKASi或PKAO产生的总缺陷数量达到22个,产生的Si3、Si5和O1缺陷数量分别占总缺陷数量的32%、23%和32%。使用第一性原理分子动力学方法计算能量为200 eV的PKA在栅氧层中的级联碰撞过程,得到的缺陷总数量与纯分子动力学结果相近,且计算得到缺陷浓度达到2.431 nm-3。。另外,计算了缺陷形成的损伤区域的尺寸。计算得到200 eV初级反冲原子产生的损伤区域的半径可以达到1.4 nm,深度达到2.0 nm。为了分析200 eV能量下PKA产生的缺陷对SiO2电子态密度的影响,计算了包含192个原子的无缺陷体系、含有3个O空位以及含有2个Si空位SiO2体系的电子态密度,结果发现,两种空位都使SiO2的导电能力增强,在外加电场下可能会使栅氧层产生漏电流,甚至使栅氧层被击穿,从而使存储器损坏。其次,使用第一性原理分子动力学方法模拟了BaTiO3铁电薄膜中三种PKA的级联碰撞过程,计算了O空位、Ti空位和Ba空位缺陷的数量随驰豫时间的变化。模拟发现,BaTi O3中形成的空位缺陷主要是O空位,其数量达到4个,而Ti空位和Ba空位缺陷的数量各为3个。BaTiO3薄膜中产生的缺陷浓度约为0.496nm-3。由此可见,与SiO2薄膜相比,单个PKA在BaTiO3体系中产生的缺陷数量更少,BaTiO3薄膜中缺陷的形成非常困难。此外,缺陷的存在并未对BaTiO3薄膜的极化翻转产生严重的影响。OⅠ空位使电滞回线向电场负方向漂移,并使剩余极化减小了约19%。但其电滞回线整体比较完整,并且OⅠ空位也使矫顽场减小了约22%,而矫顽场的减小将有利于极化的翻转,这使得OⅠ空位对极化的翻转造成的不利影响变小。OⅡ空位使矫顽场和剩余极化都减小了约10%,对体系的极化翻转造成的影响最小。Ti空位使矫顽场增大了约32%,并使剩余极化减小了约15%。但Ti空位存在的体系仍然能够产生极化翻转,并且辐射过程中Ti空位产生的数量非常少,因而体系的极化翻转很难受到Ti空位的影响。而Ba空位的存在使矫顽场减小了约33%,但是剩余极化并未减小,这将有利于极化的翻转。此外,还研究计算了四种空位缺陷对BaTi O3薄膜的电子态密度的影响,结果发现,四种空位缺陷都会使BaTiO3铁电薄膜的导电能力增强,使得在外加电场下,铁电薄膜容易产生漏电流。通过对栅氧层SiO2薄膜和BaTiO3铁电薄膜的辐射模拟计算可以发现,SiO2在辐射过程中产生的缺陷数量比较多,缺陷浓度比较大。相比SiO2薄膜,BaTiO3薄膜中缺陷更容易发生复合而消除,使得最终形成的稳定的缺陷数量比较少,缺陷浓度比较小。SiO2薄膜和BaTiO3薄膜中的缺陷都会使各自体系的导电能力增强,在外加电场下可能会产生漏电流。由于传统的Flash存储器依靠栅氧层存储电荷来达到存储数据的目的,导电能力的增强会导致栅氧层中保存的电荷容易丢失,从而丢失数据,严重影响Flash存储器的数据存储能力。铁电存储器依靠铁电薄膜的极化双手稳定态来实现数据存储,而高能重离子辐射在铁电栅极中产生的缺陷并不会对铁电栅极的极化翻转造成严重影响。不过,缺陷的存在可能会使铁电薄膜产生漏电流,从而降低极化的保持能力。可以看出,相比普通的Flash存储器,在经受高能重离子辐射时,铁电存储器依然具有优异的数据存储能力。