BiFeO3基薄膜的老化和自極化機理研究.pdf

1、作為一種無鉛鐵電材料，BiFeO3(BFO)薄膜由于具有優(yōu)異的鐵電和壓電性能，而有希望應(yīng)用于信息存儲和微機電系統(tǒng)中。研究人員已經(jīng)證明，具有優(yōu)異鐵電性能的BFO薄膜一般是在N2或者較低氧分壓情況下，退火溫度范圍在500到670℃的范圍內(nèi)得到的，這個溫度遠遠低于BFO的居里溫度(～850℃)。因此，薄膜在沉積和退火過程中不可避免的就會發(fā)生老化。老化是由于薄膜中的鐵電疇逐漸被氧空位和低價離子形成的缺陷對(A2+Fe3+)'-(VO2-)(··

2、)穩(wěn)定的結(jié)果，老化會影響實際器件應(yīng)用的長期穩(wěn)定性。但是老化過程中形成的缺陷對會抑制薄膜中氧空位的移動，因此，在一定程度上會抑制薄膜的漏電流。由此可以推測，一定程度上的老化有利于薄膜性能的提高。此外，眾所周知，鐵電材料在熱釋電、壓電和光電等領(lǐng)域的實際應(yīng)用中，一般需要在大的電場和高溫下對其進行極化處理，而直接沉積的具有自極化的鐵電薄膜可以免除實際應(yīng)用中對薄膜材料的極化過程，從而縮短了生產(chǎn)工藝流程，節(jié)約了生產(chǎn)成本。
　　 為了抑制BF

3、O薄膜的老化，根據(jù)老化的機理驗證老化與薄膜性能的關(guān)系，探尋BFO基薄膜產(chǎn)生自極化的原因，本論文采用金屬有機分解法，結(jié)合層層退火工藝在不同電極上制備了BFO基薄膜，系統(tǒng)研究了LaNiO3(LNO)厚度、退火溫度以及老化時間對BFO基薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響，同時研究了退火溫度和離子摻雜對BFO基薄膜自極化的影響。研究的主要內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　 1、分別在Pt/SiO2和LNO厚度分別為40，80和120nm厚的LNO(100)/Pt

4、/SiO2襯底上制備了BiFe0.99W0.01O3薄膜，研究了不同電極以及LNO厚度對BiFe0.99W0.01O3薄膜結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度和壓電性能的影響。結(jié)果表明，與Pt電極相比，LNO更有利于薄膜結(jié)晶度和抗老化能力的提高。在LNO厚度為80nm的薄膜中得到了最大的剩余壓電常數(shù)d33為118.1pm/V。
　　 2、在LNO(100)/SiO2襯底上制備了BiFe0.995W0.005O3薄膜，其退火溫度范圍為425℃到500℃，

5、研究了退火溫度對薄膜結(jié)構(gòu)、表面形貌、漏電流、鐵電和壓電性能的影響。結(jié)果表明，薄膜在450℃下就可以很好的結(jié)晶，這是BFO-基薄膜目前報道的最低結(jié)晶溫度。對于所有結(jié)晶的薄膜，BiFe0.995W0.005O3薄膜的漏電流隨著退火溫度的升高逐漸增大。所有的結(jié)晶薄膜都具有飽和的電滯回線。在所有的結(jié)晶薄膜中都沒有看到疇的反轉(zhuǎn)，說明0.5mol％的W6+摻量就足以抑制薄膜的老化。450℃退火的BiFe0.995W0.005O3薄膜的剩余d33為1

6、28pm/V，這與500℃退火的BiFe0.99W0.01O3薄膜的相當(dāng)，說明降低摻量有利于降低薄膜的退火溫度。
　　 3、在LNO(100)/SiO2襯底上制備了退火溫度范圍從為400到475℃的BFO薄膜，研究了退火溫度對BFO薄膜結(jié)構(gòu)、漏電和壓電性能的影響，同時研究了老化時間對不同退火溫度的BFO薄膜壓電性能的影響。實驗結(jié)果表明，隨著退火溫度的升高，BFO薄膜的漏電流逐漸增大。隨老化時間的延長，BFO薄膜的壓電響應(yīng)先增大后

7、減小，這也說明一定程度上的老化有利于薄膜壓電性能的提高，但是老化依然會影響器件的長期穩(wěn)定性。
　　 4、在LNO(100)/SiO2襯底上制備了BFO、BiFe0.97Ti0.03O3、BiFe0.97Ti0.015Zn0.015O3和BiFe0.97Zn0.03O3薄膜。研究了退火溫度對BFO薄膜自極化的影響，以及離子摻雜對BFO基薄膜自極化的影響。結(jié)果表明，BFO薄膜和LNO電極之間的外延應(yīng)力是純的BFO薄膜產(chǎn)生自極化的主要