摻雜Bi-,4-Ti-,3-O-,12-鐵電薄膜的制備及性能研究.pdf

1、近年來，稀土元素Nd 摻雜的鈦酸鉍(Bi4Ti3O12，簡記為BTO)鐵電薄膜因其具有較大的剩余極化強度(2Pr)、極好的抗疲勞特性、較低的結(jié)晶溫度而成為目前最有可能替代傳統(tǒng)含鉛Pb(Zr,Ti)O3的薄膜材料，用來制備高密度非揮發(fā)性鐵電隨機存儲器(NvFRAM)。然而對于這種鐵電薄膜的制備工藝和摻雜的微觀機理仍缺乏系統(tǒng)研究。
　　 本論文著重于借助拉曼散射光譜來研究鉍層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵電薄膜Bi4Ti3O12的摻雜改性問題。通過

2、研究摻雜對薄膜晶體微結(jié)構(gòu)、鐵電和漏電性能，初步探討B(tài) 位摻雜對鉍層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵電薄膜性能的影響機理及薄膜結(jié)晶溫度的影響。
　　 本文首先采用溶膠-凝膠(Sol-Gel)法在Pt/Ti/SiO2/Si(111)襯底上制備了不同Nd 摻雜含量的Bi4-xNdxTi3O12(x表示Nd 摻雜含量)薄膜。將(Bi,Nd)4Ti3O12 薄膜在空氣中在不同溫度下退火，借助X 射線衍射儀、拉曼散射光譜儀和鐵電測試儀對相應(yīng)的薄膜樣品進行微結(jié)

3、構(gòu)分析和鐵電性能測試。通過分析Nd 摻雜含量和退火溫度對BTO薄膜微結(jié)構(gòu)和鐵電性能的影響，結(jié)果表明：摻雜含量x≤0.45時，Nd3+僅取代了BTO薄膜中A位Bi3+離子，不影響(Bi2O2)2+層的結(jié)構(gòu)，可明顯改善BTO薄膜的鐵電性能(2Pr 達(dá)最大值32.7 μC/cm2)。少量Nd 摻雜使BTO薄膜結(jié)晶過程中出現(xiàn)焦碌石雜相，結(jié)晶完全溫度為7000C 左右，低于BTO薄膜。
　　 然后用同樣的制膜方法分別采用V和Mn 分別對B

4、i3.55Nd0.45Ti3O12(簡記為BNT)薄膜進行了B 位摻雜。分別在空氣，氧氣和氮氣氛圍中退火的V 摻雜BNT 薄膜表面都比較光滑、致密，且呈(00l)和(117)混合取向生長。但氮氣中退火的薄膜剩余極化值最大。不同溫度下退火的V 摻雜BNT 薄膜的拉曼散射譜表明：在退火溫度較低時也出現(xiàn)少量焦碌石雜相，退火溫度升高，雜相消失。但V 摻雜使BNT 薄膜的結(jié)晶溫度降低，薄膜在6800C 退火時已鉍層狀結(jié)構(gòu)已基本形成。薄膜在6500

5、C 下退火就表現(xiàn)出較好的鐵電性能，在7000C 溫度下退火鐵電性能最好。不同Mn 摻雜含量的BNT 薄膜樣品拉曼散射研究表明，Mn4+摻雜取代了BNT 中B 位的Ti4+，而不是取代A 位的Bi4+。
　　 摻雜使得樣品的漏電流減小，薄膜的電滯回線的矩形度提高。Mn 摻雜量x=0.01時，薄膜的鐵電性能最好，剩余極化值(2Pr)和矯頑電壓(Vc)分別為27 μC/cm2，5.3V。但Mn 摻雜BNT 薄膜的原位拉曼光譜結(jié)果顯示：