Bi6Fe2Ti3O18鐵電薄膜溶液法制備及其性能研究.pdf

1、層狀鉍基Aurivillius結(jié)構(gòu)化合物具有豐富的物理化學(xué)性質(zhì)，包括電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)及催化等等。近年來發(fā)現(xiàn)較高類鈣鈦礦層數(shù)的Aurivillius結(jié)構(gòu)化合物(Bi2O2)2+(Bin-1Fen-3Ti3O3n+1)2-(n≥4)可能是一種室溫或室溫以上的單相多鐵材料，在高密度存儲、多態(tài)存儲、傳感、自旋電子器件等領(lǐng)域存在巨大的潛在應(yīng)用價值。目前高類鈣鈦礦層數(shù)(n≥4)的研究主要集中在其磁與介電性能方面，鐵電性能關(guān)注較少。然而鐵電性能是Au

2、rivillius結(jié)構(gòu)化合物基本的屬性之一。并且作為一種潛在的室溫多鐵性材料，良好的鐵電性能應(yīng)是其多鐵性研究的基礎(chǔ)，也是獲得磁電耦合效應(yīng)的支撐。此外，隨著微電子、光電子器件的發(fā)展，小型化、輕量化、集成化則需要有較高性能的薄膜材料。
　　本論文以n=5的Bi6Fe2Ti3O18為研究對象，利用化學(xué)溶液沉積法制備薄膜并對其鐵電性質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)研究。主要研究內(nèi)容包括:1)Bi6Fe2Ti3O18薄膜的厚度效應(yīng);2）Bi6Fe2Ti3O18薄

3、膜的退火效應(yīng);3）Bi6Fe2Ti3O18薄膜的疲勞與保持性能;4）Bi6Fe2Ti3O18超薄膜及其鐵電、磁性能。論文主要結(jié)果如下:
　　第一章:主要介紹了1）鐵電材料的相關(guān)概念、材料種類和鐵電起源等背景知識;2）層狀鉍基Aurivillius化合物的化學(xué)組成、晶體結(jié)構(gòu)和研究發(fā)展歷史，著重介紹了n≥4的Aurivillius化合物;3）目前Bi6Fe2Ti3O18的研究現(xiàn)狀;4）化學(xué)溶液沉積法的主要特點(diǎn)及其用于制備鐵電薄膜;5）

4、本論文的研究內(nèi)容。
　　第二章:厚度效應(yīng)研究。采用化學(xué)溶液沉積法在Pt/Ti/SiO2/Si(100)襯底上制備了不同厚度的Bi6Fe2Ti3O18薄膜，主要考察了薄膜厚度對其微結(jié)構(gòu)和性能的影響。研究結(jié)果表明:制備純相Bi6Fe2Ti3O18薄膜的溫度范圍為550-750℃，隨退火溫度的升高，薄膜晶化質(zhì)量提高，綜合考慮薄膜的表面形貌和晶化質(zhì)量，我們認(rèn)為最佳的制備溫度應(yīng)在700。C左右;隨著薄膜厚度的增加，薄膜晶粒（顆粒）尺寸增加，

5、漏電流降低，介電、鐵電性能增強(qiáng)，并且獲得了趨于飽和電滯回線，矯頑電場與剩余極化強(qiáng)度降低而飽和極化強(qiáng)度變化不大，并且矯頑電場和薄膜厚度關(guān)系遵循經(jīng)驗性公式Ec。（d-2/3，最人剩余極化Pr～20μC/cm2;基于漏電流的導(dǎo)電機(jī)制擬合分析結(jié)果，觀察到薄膜的漏電機(jī)制由空間電荷限制電流機(jī)制起主導(dǎo)作用，而在高場區(qū)域則是有界面限制Fowler-Nordheim遂穿機(jī)制的共同作用;比較薄膜總厚度對其性能的影響，我們認(rèn)為所用制備工藝條件下最佳的制備厚度

6、應(yīng)該在400 nm以上，且實(shí)驗上所得厚度范圍內(nèi)薄膜表面均未出現(xiàn)微裂紋。
　　第三章:退火效應(yīng)研究。使用氮?dú)?、空氣、氧氣氣氛及慢速、快速退火工藝制備了Bi6Fe2Ti3O18薄膜，研究了氣氛與退火工藝對薄膜的晶化、表面形貌以及鐵電性能的影響。研究結(jié)果表明:相同退火氣氛下，快速退火樣品比慢速退火樣品具有更好的鐵電性能;相同快速退火工藝下，空氣中制各樣品具有最好的鐵電性能，而相同慢速退火工藝下，氮?dú)庵兄苽涞臉悠肪哂凶詈玫蔫F電性能;總體比

7、較，空氣中快速退火樣品表現(xiàn)出最優(yōu)的鐵電性能，其具有飽和的矩形電滯回線以及最大的剩余極化值(Pr);Pr在666 kV/cm的外電場下即達(dá)到21.5μC/cm2，在擊穿電場之前最大Pr也達(dá)到了26μC/cm2為目前Bi6Fe2Ti3O18中報道的最大值;所獲鐵電極化性能可與Pb(ZrxTi1-x)O3以及Bi4-xLnxTi3O12（BLT，Ln:鑭系元素）相比擬。相對大的晶粒尺寸與緊密的表面形貌，相對低的氧空位濃度與適當(dāng)?shù)你G含量以及較大

8、的品格畸變賦予了該樣品優(yōu)異的鐵電性能;此外，微觀上直接觀測到Bi6Fe2Ti3O18薄膜的周期性層狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步證實(shí)所獲薄膜為n=5的Aurivillius結(jié)構(gòu)化合物。
　　第四章:疲勞性質(zhì)研究。疲勞與保持性能研究結(jié)果表明:Bi6Fe2Ti3O18薄膜與Pb(ZrxTi1-x)O3、BiFeO3、Bi4Ti3O12等具有相似疲勞特征，隨開關(guān)次數(shù)增加而出現(xiàn)極化衰減，與薄膜中存在一定量的氧空位及晶界相關(guān)，盡量降低薄膜中的氧空位和品界應(yīng)

9、當(dāng)能夠緩解薄膜的疲勞現(xiàn)象;薄膜的具有與外加電場無關(guān)的、優(yōu)異的保持性能。此外，所獲薄膜Pr在666 kV/cm的外電場下即達(dá)到22.7μC/cm2，在擊穿電場之前最大Pr也超過了25μC/cm2，100 kHz下的電滯回線測量也表明薄膜具有超快的開關(guān)速率。矯頑場與頻率的關(guān)系遵循Ec(f)=sfd/α關(guān)系式，符合Scott等提出的疇開關(guān)動力學(xué)由疇壁移動影響的模型。
　　第五章:超薄膜研究。利用乙醇胺對前驅(qū)膠體改性制備Bi6Fe2Ti3

10、O18超薄膜并研究其微結(jié)構(gòu)、介電、漏電、鐵電以及磁性能。研究結(jié)果表明:所制備Bi6Fe2Ti3O18薄膜具有鐵電極化的臨界厚度降低到100 nm以下;隨厚度增加，薄膜取向發(fā)生變化，(1111)衍射峰逐漸增強(qiáng)，表明均質(zhì)形核生長增強(qiáng);晶粒尺寸及介電常數(shù)都隨膜厚增加而增加，漏電流表現(xiàn)相反趨勢;乙醇胺的加入使得所獲薄膜不僅具有致密的表面形貌，并且晶粒尺寸顯著增強(qiáng)，漏電流降低，表明前驅(qū)膠體巾乙醇胺的加入能夠促進(jìn)晶粒生長;85nm厚度的薄膜在5V的

11、外電壓下即可驅(qū)動，相應(yīng)剩余極化可達(dá)到15μC/cm2，在擊穿電場之前最大Pr也接近20μC/cm2;薄膜疲勞對電場具有依賴關(guān)系，極化衰減遵循缺陷相關(guān)的疇壁釘扎模型，極化損耗可以一定程度的恢復(fù);所獲薄膜同樣具有優(yōu)異的保持性能，得益于其較大的極化電荷對缺陷電荷重新分布的補(bǔ)償作用;磁化強(qiáng)度-溫度測量表明Bi6Fe2Ti3O18主要表現(xiàn)為順磁性。但是低溫下的非線性磁滯回線表明具有弱的鐵磁性或反鐵磁性。
　　第六章:對全文內(nèi)容的總結(jié)以及對未