溶膠-凝膠法制備新型BaTi2O5鐵電薄膜及性能研究.pdf

1、鐵電元器件的不斷集成化、功能化對(duì)鐵電薄膜材料的研究和應(yīng)用提出了新的要求，制備出新型高品質(zhì)鐵電薄膜材料并對(duì)其性能進(jìn)行研究以揭示其鐵電性能與組成、結(jié)構(gòu)等的相關(guān)性具有重要理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
　　 本文對(duì)新型BaTi2O5(BT2)鐵電薄膜材料的制備、生長機(jī)理、性能等進(jìn)行研究，探索了材料結(jié)構(gòu)與性能的相關(guān)性，主要研究內(nèi)容如下：
　　 1.采用溶膠-凝膠法，通過對(duì)溶膠配制過程的優(yōu)化、薄膜退火工藝的探索、薄膜厚度的有效控制等重要環(huán)節(jié)

2、進(jìn)行調(diào)控，獲得了制備(020)取向生長的BT2薄膜材料的關(guān)鍵技術(shù)。溶膠配制過程中，各催化劑的用量、溶劑和原料溶解順序等因素對(duì)溶膠穩(wěn)定性影響較大；制定了兩步退火工藝，有效的克服了有機(jī)物熱解、鐵電相形成、薄膜開裂之間的矛盾；在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了層層退火這種優(yōu)化的熱處理工藝，發(fā)現(xiàn)晶化層和襯底誘導(dǎo)生長的重要作用，實(shí)現(xiàn)了取向性BT2薄膜的可控生長。
　　 2.采用PFM對(duì)BT2鐵電薄膜的電疇、極化反轉(zhuǎn)及納米尺度壓電性能進(jìn)行了研究、分析。薄膜

3、的壓電響應(yīng)圖OPP(Pz)和IPP(Px、Py)中復(fù)雜疇襯度可歸因?yàn)榫Я５牟煌Y(jié)晶取向和疇排列所致，多為偏離Pz、Px和Py方向的復(fù)雜鐵電疇構(gòu)成；鐵電疇呈現(xiàn)了非對(duì)稱反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這是由于BT2薄膜中內(nèi)建電場以及探針與薄膜表面機(jī)械應(yīng)力的效應(yīng)導(dǎo)致；原位電壓-位移特性(壓電性能)呈現(xiàn)出典型的“蝴蝶曲線”形態(tài)。這些研究結(jié)果證實(shí)所制備的BT2薄膜具有明顯的鐵電性及壓電響應(yīng)特性。
　　 3.研究了不同取向生長的BT2薄膜的電性能。(020)取向

4、生長的BT2薄膜達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，2Pr=6μC/cm2、2Ec=50kV/cm；介電偏壓特性曲線研究發(fā)現(xiàn)，BT2薄膜呈現(xiàn)具有‘雙峰’特征的C-V曲線，并計(jì)算出隨機(jī)取向、部分(020)取向和(020)取向生長BT2薄膜電容調(diào)諧率分別為5％、16％和38％。以上結(jié)果表明，隨著(020)取向度的提高，薄膜鐵電性能逐漸提高。介電性能研究表明，取向生長對(duì)BT2薄膜的介電性能影響較大，(020)取向生長的BT2具有較大的介電常數(shù)和較小的損耗。

5、>　　 4.對(duì)(020)取向生長的BT2薄膜漏電流機(jī)制進(jìn)行了研究。通過對(duì)BT2薄膜I-t曲線的測試，制定出記錄漏電流值的合理時(shí)間。(020)取向生長的BT2薄膜漏電流機(jī)制研究結(jié)果表明，在所測電場(<250kV/cm)范圍、所給溫度(298-368K)范圍內(nèi)，低電場時(shí)(<125kV/cm)占主導(dǎo)地位的漏電流機(jī)制為歐姆電導(dǎo)；高電場時(shí)(>125kV/cm)占主導(dǎo)地位的漏電流機(jī)制為分布能級(jí)的SCLC電導(dǎo)、電子遷移率μ=2.6×10-7cm2·