（CaSr）Bi-,4-Ti-,4-O-,15-鐵電薄膜的制備與特性.pdf

1、鉍系層狀鈣鈦礦鐵電材料由于在鐵電非揮發(fā)存儲(chǔ)器、熱釋電器件以及壓電器件領(lǐng)域具有非常大的應(yīng)用前景而成為國(guó)際功能材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。由于其較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)各向異性，所以，控制薄膜取向以便于控制其性能成為人們關(guān)注的課題，也是該體系材料在未來(lái)的各種器件應(yīng)用中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。最近，四層的鉍層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)體系材料如SrBi4Ti4O15(SBTi)和CaBi4Ti4O15(CBTi)由于具有較好的鐵電性能受到較多的關(guān)注。同SrBi2Ta2O9(SB

2、T)和Bi3.25LaL0.75Ti3O12(BLTi)一樣，SBTi和CBTi的極化主方向是沿著a方向的，因此制備出(100)取向(a取向)的SBTi和CBTi薄膜是提高其鐵電性能的有效方法。本論文主要圍繞四層鉍系鈣鈦礦鐵電薄膜的取向控制以及提高薄膜的鐵電性能，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了研究。 (1) LaNiO3氧化物薄膜電極的研究。由于LaNiO3(LNO)是鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，因而被證明是一種理想的鐵電存儲(chǔ)器件電極材料。為了實(shí)現(xiàn)LNO

3、氧化物電極薄膜的取向控制，本論文系統(tǒng)地研究了預(yù)處理溫度、退火溫度、時(shí)間以及醋酸的加入量等工藝條件對(duì)LNO擇優(yōu)取向和電阻率的影響，通過(guò)優(yōu)化工藝條件，在SiO2/Si(100)襯底上制備了電阻率滿足鐵電存儲(chǔ)器件電極材料要求的，且(100)和(110)高度擇優(yōu)取向的LNO氧化物薄膜電極。 (2) SBTi薄膜的制備及性能表征研究。分別在具有LNO底電極的SiO2/Si(100)基片上和SiO2/Si(100)襯底上制備了SBTi薄膜，

4、研究了LNO取向?qū)BTi薄膜結(jié)構(gòu)和鐵電性能的影響。采用快速層層退火工藝在(100)取向擇優(yōu)的LNO氧化物電極薄膜上制備出了c取向擇優(yōu)的SBTi薄膜，首次定量分析計(jì)算了c取向SBTi與(100)取向LNO之間所存在的異質(zhì)外延關(guān)系。在(110)取向擇優(yōu)的LNO氧化物電極上制備了(100)擇優(yōu)取向的SBTi鐵電薄膜。系統(tǒng)研究了熱處理工藝以及鉍過(guò)量對(duì)沉積在SiO2/Si(100)襯底上的SBTi薄膜取向的影響。通過(guò)優(yōu)化工藝條件首次在硅襯底上成

5、功地制備了(100)擇優(yōu)取向的SBTi鐵電薄膜。認(rèn)為(100)擇優(yōu)取向是由于晶粒沿a軸方向的生長(zhǎng)速度比沿c軸方向要快得多，當(dāng)快速層層退火時(shí)a軸取向的晶粒將會(huì)逐漸覆蓋c軸取向晶粒的生長(zhǎng)；另因a軸取向的晶粒結(jié)晶需要大的激活能，所以需在較高溫度(>700℃)下，才能得到(100)擇優(yōu)取向的薄膜。對(duì)(100)擇優(yōu)取向的SBTi薄膜進(jìn)行電學(xué)性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)薄膜有很好的絕緣性和優(yōu)異的介電性能，其記憶窗口的寬度大約為0.7V。 (3) CBTi鐵

6、電薄膜制備及性能表征研究。主要從鉍過(guò)量和退火工藝對(duì)CBTi鐵電薄膜的結(jié)構(gòu)、微觀形貌和鐵電性能影響進(jìn)行了研究。鉍過(guò)量過(guò)大和過(guò)小均不利于CBTi鐵電薄膜的鐵電性能。鉍過(guò)量7.5mol％是最佳值，在700℃溫度下保持300秒退火，有利于CBTi薄膜中晶粒(100)擇優(yōu)取向生長(zhǎng)，顯微結(jié)構(gòu)均勻致密，晶粒呈球形，有利于其的鐵電性能，剩余極化強(qiáng)度Pr為6.1μC/cm2，矯頑場(chǎng)強(qiáng)Ec為80kV/cm，矩形度為0.45。 (4) (CaSr)B

7、i4Ti4O15鐵電薄膜制備及性能表征研究。在空氣中，在750℃溫度下退火5 min，Ca0.4Sr0.6Bi4Ti4O15鐵電陶瓷薄膜具有(100)擇優(yōu)取向和較好的鐵電性和介電穩(wěn)定性，剩余極化強(qiáng)度Pr為8.37μC/cm2，矯頑場(chǎng)強(qiáng)Ec為72kV、cm，頻率1MHz以內(nèi)，介電常數(shù)在234～219之間，損耗因子在0.009～0.073之間。在氧氣氣氛下制備的Ca0.4Sr0.6Bi4Ti4O15鐵電薄膜具有(100)擇優(yōu)取向以及較好的鐵

8、電性能，其剩余極化強(qiáng)度Pr為13.61μC/cm2，矯頑場(chǎng)強(qiáng)Ec為95kV/cm，電滯回線的矩形度為0.631，且經(jīng)過(guò)1010次翻轉(zhuǎn)后幾乎無(wú)疲勞，抗疲勞性能好，在頻率范圍(103～106Hz)，其介電常數(shù)較大(εr=270左右)，介電損耗較小(tgδ<0.027)，有較高的頻率穩(wěn)定性。認(rèn)為氧氣氣氛退火處理降低了氧空位濃度，有利于Ca0.4Sr0.6Bi4Ti4O15鐵電薄膜的結(jié)構(gòu)(100)擇優(yōu)取向。對(duì)Ca0.4Sr0.6Bi4Ti4O1

9、5鐵電薄膜進(jìn)行A位La摻雜增強(qiáng)了鐵電薄膜的(100)擇優(yōu)取向，同時(shí)高價(jià)摻雜造成陽(yáng)離子空位而抑制了氧空位，大大提高了薄膜的抗漏電性能，因而提高了薄膜的使用壽命。在La2x/3Vx/3(Ca0.4Sr0.6)1-xBi4Ti4O15中x為0.24時(shí)，樣品的剩余極化和矯頑場(chǎng)分別為22μC/cm2，90kV/cm，矩形度為0.67，具有較高的使用價(jià)值。 (5) 首次在Pt(111)襯底上得到了(100)擇優(yōu)取向的CSBTi厚膜。通過(guò)研究

10、膜厚對(duì)CSBTi膜的結(jié)構(gòu)和鐵電性能的影響，發(fā)現(xiàn)不同厚度的(100)擇優(yōu)取向CSBTi膜的表面形貌很相似，基本上由圓球形的晶粒組成。(200)衍射峰隨著厚度的增加而增加，但是CSBTi膜的剩余極化卻隨著厚度的增加有所降低。分析認(rèn)為導(dǎo)致這一反常現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因是CSBTi厚膜中有部分區(qū)域由多層不同取向的晶粒疊加而成，造成了極化反轉(zhuǎn)的困難。 通過(guò)工藝及組成探索，制備出了性能優(yōu)良的四層鉍層狀鈣鈦礦鐵電薄膜。對(duì)于SBTi、CBTI、CS