BiFeO3-基薄膜各向異性的研究.pdf

1、鐵電性是一種特殊的物理現(xiàn)象，在科學(xué)和現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域得到了深入的研究。鐵電材料由于其特有的鐵電性，被廣泛應(yīng)用在傳感器，光學(xué)制動(dòng)器和存儲(chǔ)裝置。近年來，鈦酸鉛系材料是智能鐵電材料系統(tǒng)中的主導(dǎo)材料。但是鉛-基材料的毒性會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害，考慮到這一問題，無鉛BiFeO3(BFO)材料成為了鉛基材料的替代品。BFO是具有多種且復(fù)雜物理特性的多鐵材料。在目前研究的單相化合物中，BFO也是唯一能在室溫下可以同時(shí)具有鐵電和反鐵磁序的材料，其優(yōu)越的壓電，鐵電

2、和熱釋電性能已經(jīng)成為了高密度鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)，微機(jī)電系統(tǒng)和熱釋電成像領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
　　晶體的各向異性是在同種晶體中，由于晶面的取向不同，從而導(dǎo)致晶體在不同方向的物理化學(xué)特性也不相同。近年來，各向異性吸引了越來越多的關(guān)注，尤其是在外延的薄膜材料中。BFO薄膜的鐵電、壓電性能同樣對(duì)晶體取向表現(xiàn)出強(qiáng)烈的依賴性，這為優(yōu)化薄膜的電學(xué)性能提供了捷徑。但是，純相 BFO薄膜由于漏電流較大導(dǎo)致性能較差，這嚴(yán)重阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。因此，為了研究 BF

3、O薄膜的各向異性，首先要解決其漏電問題。前人的工作已經(jīng)表明摻雜是降低漏電的一種簡(jiǎn)單、有效途徑。不同摻雜離子對(duì)薄膜的漏電抑制作用不同。我們的工作采用金屬有機(jī)分解的方法，結(jié)合層層退火工藝制備了摻雜改性的 BFO-基薄膜。通過退火溫度，電極和襯底的選取對(duì)薄膜晶體取向進(jìn)行調(diào)控，并且研究了不同取向薄膜的電學(xué)性能（電絕緣性，鐵電和介電性能）的差異。
　　研究的主要內(nèi)容以及得出的結(jié)論如下：
　　1、通過不同溶劑的選擇（乙二醇，乙二醇甲醚，

4、異丙醇），研究了有機(jī)溶劑的選擇對(duì) BFO-基薄膜結(jié)晶性和表面形貌的影響。當(dāng)選取異丙醇作為有機(jī)溶劑時(shí)，薄膜的晶化程度較高，且較致密。與Nd摻雜和Ti摻雜的薄膜相比，Nd和Ti離子共摻的BFO薄膜的漏電流最低且介電常數(shù)最高，介電損耗最小。
　　2、通過退火工藝的調(diào)整實(shí)現(xiàn)了晶體取向的調(diào)控，在不同退火溫度下沉積在ITO玻璃襯底上的多晶薄膜其晶體的擇優(yōu)取向不同。525°C退火的 Bi0.97Nd0.03Fe0.98Ti0.02O3(BNFT

5、O)薄膜(110)-衍射峰的擇優(yōu)度最高，而550°C退火的薄膜(012)-衍射峰的擇優(yōu)度最高。(012)-和(110)-取向擇優(yōu)的BNFTO薄膜的鐵電電滯回線和電容-電壓曲線對(duì)測(cè)試電壓和頻率表現(xiàn)出很強(qiáng)的依賴性，且都向正電壓方向偏移，這種偏移現(xiàn)象是由于內(nèi)偏場(chǎng)造成的。
　　3、在晶格匹配度較高的(100)-取向 LaNiO3電極上容易實(shí)現(xiàn) BNFTO薄膜(100)取向生長(zhǎng)。500 nm厚的薄膜由于適中的層厚結(jié)構(gòu)更致密并且實(shí)現(xiàn)了柱狀生長(zhǎng)

6、，而1.3μm厚的薄膜出現(xiàn)了明顯的分層現(xiàn)象。高度(100)-取向的BNFTO薄膜在低場(chǎng)下出現(xiàn)了漏電彌散的現(xiàn)象，這可能是疇的部分反轉(zhuǎn)造成的。相比于多晶的BNFTO薄膜，(100)-取向擇優(yōu)的薄膜介電常數(shù)得到顯著提升。
　　4、通過 LaAlO3單晶襯底的選取我們成功獲得了(100),(110)和(111)三種單一取向的Sm摻雜BFO薄膜。襯底的選擇不僅會(huì)影響薄膜的晶體結(jié)構(gòu)并且對(duì)其電學(xué)性能也會(huì)有所影響。所有的薄膜都是單電滯回線，并沒有