SrBi-,4-Ti-,4-O-,15-與CaBi-,4-Ti-,4-O-,15-鐵電薄膜制備與性能研究.pdf

1、鉍系層狀結(jié)構(gòu)鐵電薄膜由于在Pt電極上具有良好的抗疲勞性能,成為目前國際鐵電領(lǐng)域的研究熱點之一.這類材料的研究主要包括SrBi<,2>Ta<,2>O<,9>(SBT)、Bi<,4-X>La<,x>Ti<,3>O<,12>、SrBi<,4>Ti<,4>O<,15>(SBTi)和CaBi<,4>Ti<,4>O<,15>(CBTi).其中SBTi和CBTi都屬于四層鉍系鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料,具有高度的各向異性和高的居里溫度,在高溫壓電器件中也有廣闊的

2、應(yīng)用前景.值得注意的是SBTi和CBTi的抗疲勞性能優(yōu)于Bi<,4>Ti<,3>O<,12>(BT),而沉積溫度低于SBT.但是,關(guān)于SBTi和CBTi鐵電和壓電性能研究的報道還不多見.與所有的鉍系鈣鈦礦材料一樣,如何控制取向和降低矯頑場是四層鉍系鈣鈦礦鐵電薄膜在各種器件應(yīng)用中必須解決的兩個關(guān)鍵問題.本文針對這兩個問題,從制備工藝、結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系等方面對SBTi和CBTi進行了系統(tǒng)的研究. 本論文中利用溶膠.凝膠法分別在硅

3、襯底上和帶有鉑金電極的硅襯底上制備了SBTi和CBTi薄膜.系統(tǒng)地研究了Bi含量、退火工藝(預(yù)處理溫度、退火溫度等)、厚度和摻雜等因素對鐵電薄膜的結(jié)構(gòu)、表面形貌和鐵電性能的影響.通過對SBTi和CBTi鐵電薄膜XRD衍射圖譜,原子力顯微鏡和電滯回線結(jié)果的分析,本研究中確定出了最佳的制備工藝參數(shù). 1、本論文系統(tǒng)研究了熱處理工藝對取向的影響.通過優(yōu)化工藝條件在硅襯底上成功地制備了(100)擇優(yōu)取向的SBTi鐵電薄膜,并對其電學(xué)性能

4、進行了測試. 結(jié)果表明:(1)過量Bi<,2>O<,3>的加入可以補償高溫燒結(jié)過程中Bi的揮發(fā),抑制焦綠石相的生成.同時適量Bi的加入可以提高晶體的晶化程度. (2)隨著燒結(jié)溫度的升高,SBTi材料的晶粒逐漸長大、長完整.由于晶粒沿a(b)-軸方向的生長速度比沿c-軸方向要快得多,因此當采用層層退火的工藝條件時,a(b)-軸取向的晶粒將會逐漸覆蓋c-軸取向晶粒的生長,從而得到了(100)擇優(yōu)取向的薄膜.由于a(b)-軸取

5、向的晶粒結(jié)晶需要大的激活能,所以在其他條件相同而溫度較低的情況下得不到a(b)-軸擇優(yōu)取向的薄膜. (3)對a(b)-軸擇優(yōu)取向的薄膜進行了電學(xué)性能的測試.可以發(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.2、同其他鉍系鈣鈦礦鐵電薄膜相比,CBTi鐵電薄膜的高矯頑電場問題比較突出,因此我們選擇沉積在鉑金電極上的CBTi鐵電薄膜作為我們的研究對象來研究A位高價摻雜對矯頑場的影響. 結(jié)果表明:

6、 (1)當Bi過量15﹪時,我們?nèi)匀坏玫搅艘粋€純的CBTi的鈣鈦礦結(jié)構(gòu).當膜厚為500nm時有利于晶化和口.軸取向晶粒的生長. (2)摻雜后物相分析結(jié)果表明薄膜為多晶結(jié)構(gòu),通過計算其體積分數(shù),可以看出隨著La元素摻量的增多,(100)取向晶粒的體積分數(shù)逐漸增大.即La的加入有利于提高口.軸取向晶粒的形成. (3)電學(xué)測試表明,隨著La摻加量的增多,剩余極化逐漸增大.矯頑場在摻加量x=0.18時最小,大約比未摻雜CBTi的矯頑

7、場小27.5﹪.從疲勞測試中我們發(fā)現(xiàn)未摻雜的CBTi幾乎沒有任何疲勞現(xiàn)象;而摻雜后薄膜的疲勞性能在10<'6>和10<'8>之間存在一定程度的降低,但是在10<'8>之后,極化又恢復(fù)到原來的狀態(tài).因此,La<,0.24>V<,0.12>Ca<,0.64>Bi<,4>Ti<,4>O<,15>(CLBTi0.24)的疲勞特性將不會影響鐵電器件的實際應(yīng)用.摻雜后薄膜的絕緣性有了很大程度的提高. 綜上所述,我們的工作為將來各種鉍系鈣鈦礦