BiFeO3薄膜的老化與漏電抑制.pdf

1、BiFeO3由于其具有良好的鐵電和壓電性,沉積溫度較低(低于600℃),在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和微電子機(jī)械系統(tǒng)應(yīng)用上有很大發(fā)展前景。、眾所周知,BiFeO3具有高居里點(diǎn)溫度(Tc=850℃),所以在薄膜沉積和快速退火過(guò)程中不可避免要發(fā)生老化現(xiàn)象。BiFeO3薄膜中的老化現(xiàn)象已經(jīng)被證明與受主缺陷(A2+Fe3+)’和氧空位(VO2-)¨形成缺陷對(duì)(A2+Fe3+)。-(Vo2-)¨有關(guān)。缺陷對(duì)所形成的局部電場(chǎng)阻礙了鐵電疇的翻轉(zhuǎn),從而導(dǎo)致了在老化的Bi

2、FeO3薄膜中壓電和介電常數(shù)、電荷保持能力、剩余極化等都將被降低。另一方面,BiFeO3薄膜同時(shí)遭受嚴(yán)重的漏電問題,這使加在薄膜上的有效電壓大大降低了。因此,薄膜很容易被擊穿,對(duì)薄膜的電學(xué)測(cè)試影響很大,很難測(cè)得好的性能。很明顯,老化和漏電都與(Vo2-)¨有關(guān),所以消除(Vo2-)¨是同時(shí)解決這兩個(gè)問題的有效途徑。從缺陷化學(xué)的角度上來(lái)分析,采用高價(jià)離子摻雜是一種消除(Vo2-)¨含量的有效方法。本論文采用金屬有機(jī)分解法,通過(guò)層層退火工藝

3、制備了摻W6+以及Cu2+和W6+共摻的BiFeO3薄膜,研究了其結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能(尤其壓電性)。主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　 本文所選用的主要電極材料為L(zhǎng)aNiO3,其與BiFeO3均為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)且晶格常數(shù)相近,非常有利于BiFeO3薄膜的生長(zhǎng)。在Si襯底上研究了不同的聚乙二醇含量,預(yù)處理溫度和退火溫度對(duì)LaNiO3薄膜表面形貌的影響,選擇出來(lái)最佳的工藝條件分別為0.36g,425℃,650℃。用此工藝制備了厚度為150nm的(10

4、0)取向的LaNiO3薄膜,結(jié)晶度非常好,并且沒有雜峰的產(chǎn)生,電阻率為5×10-4～1×10-3Ω·cm,非常適合作電極材料。隨后在LaNiO3(100)/Si襯底上制備了(100)取向的BiFeO3外延膜。薄膜中的(100)和(200)衍射峰均很強(qiáng)并且沒有任何其他衍射峰產(chǎn)生。、在LaNiO3(100)/Si襯底上制備了摻雜高價(jià)離子W6+的BiFeO3的外延膜,研究了不同W6+摻量(0～2％)對(duì)BFO薄膜的結(jié)構(gòu)、漏電、鐵電及壓電性的影響

5、。結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著W6+摻量的增加(＜2％),BiFeO3薄膜的性質(zhì)有所改善,比如漏電降低,矯頑場(chǎng)變小并且對(duì)稱性變好,剩余壓電系數(shù)變大,最大可達(dá)132pm/V。這是由于W6+摻雜有效的減少了(Vo2-)¨含量,從而達(dá)到了同時(shí)降低漏電和去老化的作用。BiFe0.995W0.00503薄膜和BiFe0.99W0.01O3薄膜中的鐵電疇均可被完全翻轉(zhuǎn),但由于兩薄膜中非180°疇含量的不同,所以后者的壓電系數(shù)比前者大。當(dāng)摻量增加到2％摩爾時(shí),所制備

6、的(100)取向的BiFe0.98W0.02O3外延膜中有少數(shù)微弱雜峰的出現(xiàn)并且鐵電性和壓電性開始減弱。這是由于W6+摻量過(guò)高限制了晶粒的生長(zhǎng),從而產(chǎn)生了更多缺陷,使W6+摻雜抑制BiFeO3薄膜老化的作用下降。
　　 本研究在LaNiO3(100)/Si襯底上制備了不同退火溫度的BiFe0.995W0.005O3薄膜,研究了退火溫度對(duì)BiFe0.995W0.005O3薄膜的結(jié)構(gòu),壓電性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)薄膜在450℃退火溫度下

7、就能結(jié)晶并且晶化程度很好。在450℃、475℃、500℃的退火溫度下BiFe0.995W0.005O3薄膜的鐵電疇均可以被極化翻轉(zhuǎn)。但是壓電響應(yīng)的大小、均勻性和信噪比有所差別,475℃退火的BiFe0.995W0.005O3薄膜剩余壓電系數(shù)最大,可達(dá)134pm/V。但是它的壓電響應(yīng)均勻性和信噪比不如450℃和500℃退火制備的BiFe0.995W0.005O3薄膜的好。這主要由于前者主要是非180°疇和180°疇的共存,后兩者分別主要含

8、有非180°疇和180°疇。在ITO/glass和LaNiO3(100)/Si襯底分別制備了BiFe0.995Cu0.005O3,BiFe0.995W0.005O3,BFe0.99Cu0.005W0.005O3薄膜,研究了這兩個(gè)系列薄膜的結(jié)構(gòu)和壓電性能的區(qū)別。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在ITO/glass襯底上制備的多晶膜中,很多鐵電疇沒有被翻轉(zhuǎn),性能都比較差,共摻的薄膜漏電較低,所以極化相對(duì)最好。在LaNiO3(100)/Si襯底上制備的外延膜中均具有

9、很強(qiáng)的(100)和(200)衍射峰。其中,BiFe0.995Cu0.005O3薄膜中由于老化嚴(yán)重,所以薄膜的壓電性最差。BFe0.99Cu0.005W0.005O3和BiFe0.995W0.005O3薄膜由于W6+的摻雜抑制了老化,鐵電疇均可被完全翻轉(zhuǎn),前者的壓電響應(yīng)均勻性和信噪比均比后者好,但由于Cu2+的摻量選擇過(guò)高,所以前者中的非180°疇的疇壁運(yùn)動(dòng)受到缺陷對(duì)形成的局部電場(chǎng)的限制,所以壓電系數(shù)不如后者的大。通過(guò)高價(jià)離子W6+的摻雜