BiFeO3-基薄膜的缺陷及界面調(diào)控.pdf

1、近年來隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)和傳感器及隨機(jī)存儲(chǔ)器等行業(yè)的迅速發(fā)展，具備優(yōu)異的鐵電和壓電性能的薄膜材料已經(jīng)成為目前研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。目前來說，鉛系材料仍然是應(yīng)用于這些領(lǐng)域的主體材料，但是鉛系材料在制備和使用的過程中會(huì)對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染問題，這一問題違背了國家可持續(xù)環(huán)保的戰(zhàn)略方針。因此尋找一種無鉛且性能優(yōu)越的材料成為大勢所趨。BiFeO3(BFO)薄膜因其優(yōu)異的壓電鐵電性能受到人們的廣泛關(guān)注，成為可以與鉛系材料相媲美的一類無鉛鐵電環(huán)

2、保材料。
　　但是薄膜中嚴(yán)重的漏電問題和老化現(xiàn)象直接阻礙了BFO薄膜未來在器件的應(yīng)用，這兩大問題都與薄膜中氧空位的濃度有關(guān)。據(jù)報(bào)道，引入高價(jià)離子可以有效的抑制薄膜中氧空位的濃度，從而達(dá)到降低薄膜漏電流的作用，進(jìn)一步提高薄膜的電學(xué)性能。研究者制備了Ti4+摻雜的BFO基薄膜，薄膜的漏電流的漏電流可以降低3個(gè)數(shù)量級，飽和度和矩形度也得到了明顯的改善。由此看來，摻雜高價(jià)離子對提高薄膜的電學(xué)性能的作用不容小覷。如何增加高價(jià)離子的摻量更大程

3、度的降低薄膜的漏電流已經(jīng)成為高價(jià)離子摻雜鐵酸鉍基的重點(diǎn)之一。本實(shí)驗(yàn)中我們引入了一定量的低價(jià)離子Zn2+來降低由于Ti4+摻雜導(dǎo)致的局部靜電場。同時(shí)，不同的電極材料對薄膜的電學(xué)性能的提高是至關(guān)重要的。選擇成本低廉同時(shí)與制備工藝兼容的Al電極材料對提高薄膜的性能乃至器件應(yīng)用是至關(guān)重要的。
　　本論文采用溶膠凝膠法結(jié)合層層退火工藝制備了BFO基薄膜。主要探究了缺陷和界面對BFO基薄膜電學(xué)性能的影響。主要研究內(nèi)容如下:
　　1、制備

4、了不同預(yù)處理溫度下的BFO薄膜，確定了最優(yōu)的預(yù)處理溫度。在ITO/glass襯底上制備了預(yù)處理溫度為225℃，250℃，275℃，300℃的BFO基薄膜，由XRD結(jié)果表明，所有的BFO基薄膜中均沒有雜相的生成，其衍射峰以(012)和(110)為主，兩取向晶粒競爭性生長。預(yù)處理溫度為275℃的薄膜極化強(qiáng)度最高，這可能與薄膜的結(jié)晶性較好有關(guān)系。
　　2、制備了不同退火溫度下的BiFe0.86Ti0.12Zn0.02O3(BFTZO)薄

5、膜，關(guān)于退火溫度對BFTZO薄膜結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能的影響做了相關(guān)的研究。對比發(fā)現(xiàn)，BFTZO薄膜的結(jié)構(gòu)對預(yù)處理溫度表現(xiàn)出較強(qiáng)的依懶性。BFTZO薄膜的漏電流并沒有隨著退火溫度的增加呈現(xiàn)完全遞減的趨勢，比較值得關(guān)注的在475℃退火的薄膜漏電流最小。這主要是由于薄膜中的漏電流不僅與可移動(dòng)的氧空位濃度有關(guān)，還與薄膜中的晶界有關(guān)。不同退火溫度下的薄膜均表現(xiàn)出負(fù)電場下漏電流大小明顯低于正電場作用下的漏電流。這主要是由薄膜與電極界面處氧空位濃度不同導(dǎo)致