鈦酸鉍基鐵電薄膜的取向控制與性能研究.pdf

1、鈦酸鉍(Bi4Ti3O12，BTO)作為一種典型的鉍系層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵電材料，具有優(yōu)良的壓電、鐵電、熱釋電和電光等性能，在最近十年里成為廣泛研究的熱點之一。Bi4Ti3O12的晶體結(jié)構(gòu)是各向異性的贗立方結(jié)構(gòu)，它的自發(fā)極化沿a軸和c軸相差很大，分別是50μC/cm2和4μC/cm2。此外，摻雜并不改變BTO薄膜的主極軸方向，因此制備a軸取向擇優(yōu)的鈦酸鉍基鐵電薄膜是非常有意義的。最近人們研究發(fā)現(xiàn)，用三價稀土離子替代Bi4Ti3O12中的A

2、位可以提高其電學性能。替代后的薄膜具有更大的剩余極化，這使得Bi4Ti3O12更適合于在鐵電存儲器中的應用。然而目前對于A位摻雜的BTO薄膜摻量主要集中在0.85左右，并且其退火溫度高達750℃，這樣一個高溫與集成電路工藝不匹配。從實際應用的角度來說，鈦酸鉍基鐵電薄膜的沉積溫度應該控制在650℃以下。而日本人TakayukiWatanabe等報道摻雜鈦酸鉍在摻量為0.26～0.35之間的剩余極化最大。 考慮到降低薄膜的制備溫度，

3、并且得到較大的剩余極化，本論文利用溶膠—凝膠法在不同襯底上制備了Bi3.7Nd0.3Ti3O12(BNT0.3)鐵電薄膜，系統(tǒng)的研究了鉍過量，單層厚度，襯底，退火溫度等因素對薄膜取向的影響。通過對BNT0.3薄膜X—ray衍射圖譜，原子力顯微圖譜，掃描電鏡圖譜和電學性能測試的研究，得出了以下結(jié)論： 1、對BNT0.3薄膜工藝的摸索、生長模式及形貌的分析，我們得出如下結(jié)論：(1)鉍過量10％的前驅(qū)體溶液更易于制備a軸取向的BNT0

4、.3薄膜；(2)旋涂過程中，薄膜單層厚度過厚或過薄都不利用BNT0.3薄膜a軸取向的生長；(3)ITO/glass氧化物襯底比Pt/TiO2/SiO2/Si襯底更利于BNT0.3薄膜a軸取向的生長；(4)550℃和600℃均可以得到高度a軸取向擇優(yōu)的BNT0.3薄膜；(5)對于鉍系層狀鈣鈦礦鐵電薄膜的生長模式概括為：由于晶粒沿a(b)軸方向的生長速度比沿c軸方向要快得多，因此當采用層層退火的工藝條件時，a(b)軸取向的晶粒將會逐漸覆蓋c

5、軸取向晶粒的生長，從而得到(100)擇優(yōu)取向的薄膜。也就是說，a軸取向擇優(yōu)是鉍系層狀鈣鈦礦鐵電薄膜的一種本征生長模式；(6)550℃退火條件下，制備了不同厚度的a軸取向擇優(yōu)的BNT0.3薄膜，薄膜晶粒較小，表面平整；(7)通過薄膜斷面SEM圖，可以清晰的分辨出BNT0.3薄膜層、ITO氧化物層和玻璃層。此外，薄膜表現(xiàn)出了柱狀生長模式。 2、通過對BNT0.3薄膜晶體結(jié)構(gòu)及電學性能的研究，結(jié)果表明：(1)BNT0.3薄膜(200)

6、衍射峰的相對強度隨薄膜厚度的增加而增加；(2)BNT0.3薄膜的剩余極化和矯頑場均隨薄膜厚度的增加而減小，這是因為薄膜存在部分老化；(3)650℃退火條件下制備的BNT0.3薄膜盡管其(200)衍射峰的相對強度不是最高，但是其剩余極化最大，達到38.2μC/cm2，這比目前報道的BNT0.85薄膜最大的剩余極化還大35％；(4)壓電測試結(jié)果表明薄膜均可以均勻極化，且其壓電信號隨薄膜退火溫度的升高而增強；(5)薄膜表現(xiàn)出了良好的抗疲勞性能