BiFeO3-基薄膜的低溫制備及漏電抑制.pdf

1、BiFeO3(BFO)是為數(shù)不多的在室溫下同時(shí)具有鐵電、壓電、鐵磁性能的多鐵性材料之一。憑借良好的電學(xué)性能和無(wú)鉛環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，BiFeO3-基薄膜材料在未來(lái)的集成壓電系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　 盡管BiFeO3薄膜具有很多不可比擬的優(yōu)勢(shì)，但其漏電流過(guò)大一直是制約其發(fā)展的一個(gè)瓶頸，尤其是用化學(xué)溶液法制備的BiFeO3薄膜漏電問(wèn)題更為嚴(yán)重。但從制備方法的可行性來(lái)看，化學(xué)溶液法又是將來(lái)最有希望能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的唯一方法。此外，B

2、iFeO3薄膜目前的制備溫度普遍在500～600℃之間，較高的沉積溫度不僅使BiFeO3的漏電問(wèn)題更加嚴(yán)重，同時(shí)也使BiFeO3薄膜與未來(lái)大規(guī)模集成電路系統(tǒng)的兼容成為問(wèn)題。如何使用化學(xué)溶液法制備BiFeO3-基薄膜，同時(shí)又能通過(guò)其他可行的方法來(lái)降低制備溫度，抑制漏電已經(jīng)成為當(dāng)前鐵電、壓電領(lǐng)域工作人員研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。
　　 本論文著重通過(guò)適當(dāng)降低BiFe0.95Mn0.05O3(BFMO)薄膜的單層厚度來(lái)提高其晶化程度，進(jìn)而改善

3、其電學(xué)性能，達(dá)到降低制備溫度的目的，同時(shí)還深入研究了層厚對(duì)BFMO薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響。本論文制備了不同Bi過(guò)量的BiFe0.97Mn0.03O3(BFMO)簿膜，并系統(tǒng)研究了Bi過(guò)量對(duì)溫度的依賴關(guān)系以及不同Bi過(guò)量對(duì)不同退火溫度下的BFMO薄膜鐵電及漏電性能的影響，為解決BiFeO3-基薄膜的漏電問(wèn)題提供了新的思路。主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下：
　　 本論文在ITO/玻璃襯底上，通過(guò)控制BiFe0.95Mn0.05O3前驅(qū)體溶液的

4、濃度，采用溶膠-凝膠法結(jié)合層層退火工藝，制備了單層厚度分別為42、31、25、20nm的BiFe0.95Mn0.05O3薄膜。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，降低BiFe0.95Mn0.05O3薄膜的單層厚度(從42nm/l降到25nm/l)有助于提高BFMO提高薄膜的鐵電性能，但也不能無(wú)止境的降低，當(dāng)層厚超過(guò)某一極限值(25nm/l)時(shí)，繼續(xù)降低層厚就會(huì)帶來(lái)負(fù)面效應(yīng)。在一定條件下存在一個(gè)最佳的單層厚度值，當(dāng)層厚大于該最佳值時(shí)，降低層厚正面效應(yīng)起主導(dǎo)主用，B

5、FMO薄膜的鐵電性能逐漸變好，達(dá)到最佳層厚值時(shí)BFMO薄膜的綜合性能最好。當(dāng)層厚小于該最佳值，繼續(xù)降低單層厚度，此時(shí)負(fù)面效應(yīng)起主導(dǎo)作用，BFMO薄膜的電學(xué)性能又開(kāi)始衰退。在本論文的實(shí)驗(yàn)中，最佳的單層厚度值是25nm/l。在單層厚度為25nm/l的BFMO薄膜中觀察到了典型的柱狀結(jié)構(gòu)，剩余極化值較大，并且剩余極化值不隨退火溫度的升高而明顯變大。更重要的是，對(duì)于一個(gè)給定的剩余極化值，25nm/l的BFMO薄膜的所需要的退火溫度比42、31、

6、20nm/l的BFMO薄膜得到相同大小的剩余極化值所需要的退火溫度要低45～64℃，特別是在575℃以下，這種差異更為明顯。該結(jié)果說(shuō)明，單層厚度過(guò)厚或過(guò)薄都不利于晶體生長(zhǎng)，只有適當(dāng)?shù)膯螌雍穸炔庞兄谔岣連FMO薄膜的電學(xué)性能，同時(shí)有利于降低其制備溫度。
　　 本論文ITO/玻璃襯底上，采用溶膠．凝膠法結(jié)合層層退火工藝，制備了Bi過(guò)量分別為0％、5％、10％、15％、20％的BiFe0.97Mn0.03O3薄膜，并系統(tǒng)研究了低溫制

7、備時(shí)不同Bi過(guò)量在不同溫度下對(duì)BFMO薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果表明，在500℃以下制備BFMO薄膜時(shí)Bi并不揮發(fā)，即使有揮發(fā)也是少量的揮發(fā)，此時(shí)并不需要加過(guò)量的Bi來(lái)補(bǔ)充。在低溫制備時(shí)，過(guò)量的Bi由于難以揮發(fā)通常會(huì)存在于晶界處，當(dāng)晶界容納不下時(shí)會(huì)以富Bi相(Bi2O3)的形式析出在BFMO薄膜的表面，使漏電流增大。根據(jù)退火溫度的不同，所需過(guò)量Bi的最佳值也不同。溫度越低，晶化程度越低，晶粒越小，晶界較多，能夠容納的過(guò)量Bi也就越多；相