CaBi-,4-Ti-,4-O-,15-基鐵電薄膜的制備及其性能的研究.pdf

1、近二十年來(lái),用鐵電薄膜制備的存儲(chǔ)器,由于具有非揮發(fā)、存取速度快、抗疲勞、抗輻射性強(qiáng)的優(yōu)良性能而受到廣泛研究.當(dāng)前在鐵電存儲(chǔ)器中采用的鐵電薄膜主要是PZT(PbZr<,x>Ti<,1-x>O3),但是PZT材料疲勞問(wèn)題嚴(yán)重,剩余極化隨翻轉(zhuǎn)次數(shù)增加急劇減少.另外PZT含鉛元素,對(duì)健康和環(huán)境不利.1995年出現(xiàn)的Bi系層狀鈣鈦礦鐵電薄膜,由于其優(yōu)異的抗疲勞性能和不存在環(huán)境污染而受到廣泛研究.這類材料中研究較多的有SBTa(SrBi<,2>Ta

2、<,2>O<,9>)、Bi<,4>Ti<,3>O<,12>、BLT(Bi<,4>La<,x>Ti<,3-x>O<,12>)、BNT(Bi<,4>Na<,x>Ti<,3-x>O<,12>)、SBTi(SrBi<,4>Ti<,4>O<,15>)、CBT (CaBi<,4>Ti<,4>O<,15>)等.其中SBTa材料雖然抗疲勞性能好,但存在極化強(qiáng)度較小(2Pr=4～16μc/cm<'2>)、居里溫度較低、電滯回線矩形度差.目前,國(guó)內(nèi)對(duì)CBT

3、基材料的研究主要集中在塊狀陶瓷上,對(duì)CaBi<,4>Ti<,4>O<,15>基鐵電薄膜的研究極少.據(jù)國(guó)際最近有關(guān)研究,鈣鉍鈦(CBT)鐵電薄膜不僅具有較大的剩余極化而且具有很高的居里溫度、良好的抗疲勞性能,將在非揮發(fā)性鐵電存儲(chǔ)器中有很好的應(yīng)用前景;另外,CaBi<,4>Ti<,4>O<,15>鐵電薄膜還具有突出的壓電性,其壓電系數(shù) d<,33> 高達(dá)180prn/V,比其它無(wú)鉛鉍系鐵電薄膜要高的多,將在無(wú)鉛壓電薄膜領(lǐng)域發(fā)揮巨大的應(yīng)用價(jià)值

4、.因此CaBi<,4>Ti<,4>O<,15>薄膜即將成為壓電/鐵電薄膜研究的一個(gè)熱點(diǎn).本論文主要研究了CaBi<,4>Ti<,4>O<,15>基鐵電薄膜的制備及其顯微結(jié)構(gòu)、鐵電性能和介電性能. 本論文采取溶膠一凝膠法制備了不同Sr含量和Bi過(guò)量鈦酸鉍鈣基鐵電薄膜,利用組分改性和工藝改性制備了較高質(zhì)量的CaBi<,4>Ti<,4>O<,15>基鐵電薄膜,并探討其組分、微觀結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系,為層狀鉍系鐵電薄膜的改性提供理論指導(dǎo)

5、,以更好的滿足實(shí)際應(yīng)用的要求.主要成果如下: (1)以Ca(Ac)<,2>.5H<,2>O、Sr(Ac)<,2>.1/2H<,2>O、Bi(NO<,3>)<,3>.5H<,2>O、Ti(C<,4>H<,9>O)<,4>做為原料,以乙二醇和乙二醇甲醚為溶劑,乙酰丙酮做為螯合劑.改善制備工藝參數(shù),選擇簡(jiǎn)便易行的反應(yīng)體系制備出CBT基鐵電薄膜穩(wěn)定的前驅(qū)體溶液; (2)采用層層晶化快速退火工藝,制備了p-Si和Pt/Ti/SiO

6、<,2>/Si基Ca<,1-x>Sr<,x>Bi<,4>Ti<,4>O<,15>Ca<,1-x>Sr<,x>Bi<,4>Ti<,4>O<,15>和CaBi<,4+x>Ti<,4>O<,15>鐵電薄膜.結(jié)果表明,隨著sr含量的增加,薄膜的a軸取向度先逐漸增大后有所降低.當(dāng)x=0.6時(shí)薄膜的結(jié)晶程度好,晶粒較大致密,a軸取向度最大,具有較好的鐵電性能;另外,相對(duì)介電常數(shù)較大,介電損耗較低,能夠較好地滿足鐵電存貯器的要求.Bi過(guò)量對(duì)CaBi<

7、,4+x>Ti<,4>O<,15>鐵電薄膜的影響較大,隨著Bi過(guò)量的增加,晶粒逐漸變大,鉍過(guò)量有助于提高薄膜晶化程度但并非越多越好,Bi含量太大則會(huì)產(chǎn)生Bi<,2>O<,3>相,導(dǎo)致其鐵電性能下降.本論文中,當(dāng)Bi過(guò)量x=0.3時(shí),CaBi<,4+x>Ti<,4>O<,15>鐵電薄膜(119)和(117)衍射峰強(qiáng)度最大, (200)衍射峰強(qiáng)度相對(duì)也較強(qiáng),因此CaBi<,4+x>Ti<,4>O<,15>鐵電薄膜具有較好綜合性能.通過(guò)比較S

8、i和Pt/Ti/SiO<,2>/Si基CaBi<,4+x>Ti<,4>O<,15>鐵電薄膜發(fā)現(xiàn),Pt/Ti/SiO<,2>/Si基CaBi<,4+x>Ti<,4>O<,15>鐵電薄膜晶化程度高,晶粒較大,薄膜更趨向于沿a軸方向生長(zhǎng). (3)研究表明,退火溫度對(duì)Ca<,1-x>Sr<,x>Bi<,4>Ti<,4>O<,15>和CaBi<,4+x>Ti<,4>O<,15>鐵電薄膜的影響較大.隨著退火溫度的升高,薄膜的晶化程度越來(lái)越好

9、,當(dāng)退火溫度為750℃,Ca<,1-x>Sr<,x>Bi<,4>Ti<,4>O<,15>和CaBi<,4+x>Ti<,4>O<,15>鐵電薄膜晶粒較大,沿a軸取向度最高.退火時(shí)間對(duì)薄膜的影響顯著,縮短低溫?zé)崽幚頃r(shí)間有助于晶粒的生長(zhǎng),另外,適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)高溫?zé)崽幚頃r(shí)間有利于提高薄膜晶化程度以及沿a軸方向的生長(zhǎng),但是當(dāng)高溫退火時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則會(huì)導(dǎo)致薄膜結(jié)晶性變差,晶粒致密度下降,從而使薄膜的鐵電性能變差. (4)退火氣氛的影響:在氧氣氣氛中退

10、火得到的Ca<,1-x>Sr<,x>Bi<,4>Ti<,4>O<,15>和CaBi<,4+x>Ti<,4>O<,15>和Ca<,1-x>Sr<,x>Bi<,4>Ti<,4>O<,15>和CaBi<,4+x>Ti<,4>O<,15>鐵電薄膜比在空氣氣氛退火得到的薄膜質(zhì)量要好,具有較好的鐵電性能和介電性能. (5)在氧氣氣氛下獲得的Ca<,0.4>Sr<,0.6>Bi<,4>Ti<,4>O<,15>(x=0.6)鐵電薄膜剩余極化強(qiáng)度

11、最大,矯頑場(chǎng)較小,相對(duì)介電常數(shù)較大,介電損耗很小(2Pr=29.06μc.cm<'2>,Ec=110kv/cm,εr=270,tgδ<0.027);而且電滯回線的矩形度較好(Pr/P<,saturate>=0.631),在經(jīng)過(guò)10<'10>次翻轉(zhuǎn)疲勞后,剩余極化強(qiáng)度變化較小,具有良好的抗疲勞性能. (6)對(duì)于不同Bi過(guò)量的CaBi<,4+x>Ti<,4>O<,15>鐵電薄膜,在氧氣氣氛下所得的CaBi<,4.3>Ti<,4>O<