BiFeO3基鐵電異質(zhì)結(jié)構(gòu)及其電學(xué)性能研究.pdf

1、由于多鐵材料同時存在鐵電、鐵磁以及鐵彈性能而被廣泛關(guān)注，成為當(dāng)今材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。在現(xiàn)今研究的單相多鐵材料中，鐵酸鉍(BiFeO3，BFO)是唯一能夠在室溫及以上溫度同時呈現(xiàn)鐵電性(Tc～1100 K)和反鐵磁性(TN～640 K)的材料，由于具有優(yōu)異的磁電耦合效應(yīng)而使之在傳感器、信息存儲、自旋電子器件以及微機(jī)電系統(tǒng)等諸多方面有著極大的應(yīng)用前景。眾所周知，純相BFO材料存在的制備困難、高漏電以及弱磁性等問題一直是制約其發(fā)展和應(yīng)用的

2、瓶頸。相對于塊體材料，BFO膜材料呈現(xiàn)出較好的絕緣特性和優(yōu)異的鐵電、鐵磁性能。然而，目前BFO膜材料的制備溫度通常較高(600～700℃)，這不僅加劇了材料的漏電問題，而且也使之與大規(guī)模集成電路的兼容性面臨巨大挑戰(zhàn)。因此，如何利用優(yōu)化的工藝制備性能優(yōu)異的BFO膜材料，同時又能通過其他可行手段來降低沉積溫度已成為當(dāng)前BFO膜材料研究的熱點課題。
　　針對上述存在的諸多問題，本文采用射頻磁控濺射技術(shù)制備了高品質(zhì)的BFO外延及多晶膜材料

3、，利用一系列檢測手段對其微觀結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了表征和分析，以期能夠改善甚至增強(qiáng)其各項性能。具體來說，本文的主要研究內(nèi)容及結(jié)果可概括為以下幾個方面:
　　(1)采用射頻磁控濺射技術(shù)在LAO單晶基底上沉積了一系列外延BFO薄膜，重點探索濺射氣氛(Ar/O2比率)對薄膜微觀結(jié)構(gòu)及性能的影響。研究發(fā)現(xiàn):所有薄膜在底電極附近均具有R/T兩相共存區(qū)，隨膜厚的增加膜內(nèi)應(yīng)力得以釋放而形成單一R相。濺射氣氛雖未改變薄膜的外延生長及相組分，但對其介電、

4、鐵電及漏電性能具有顯著影響。當(dāng)Ar/O2為4∶1時，薄膜呈現(xiàn)出最優(yōu)電性能，其剩余極化強(qiáng)度(2Pr)和漏電流密度分別為150μC/cm2和3.6×10-4A/cm2。
　　(2)在上述(1)的基礎(chǔ)上，我們又著重研究了Ar/O2比率對薄膜漏電機(jī)制的影響。研究發(fā)現(xiàn)不同Ar/O2比率下沉積的BFO薄膜存在三種不同的漏電機(jī)制:離子電導(dǎo)、肖特基發(fā)射及空間電荷限制電流。通過對薄膜壓電形貌的表征以及膜內(nèi)元素俄歇深度剖面的分析證實了上述漏電機(jī)制，并

5、揭示了薄膜的表面形貌、生長缺陷與濺射氣氛間的內(nèi)在聯(lián)系。
　　(3)選用SRO為底電極，利用射頻磁控濺射法分別在LAO、STO、YAO和LAST基底上制備了一系列BFO外延薄膜以研究單晶襯底對其性能的影響。研究表明沉積在不同基底上BFO薄膜的相組分和電性能具有明顯差異。在所有薄膜中，生長在LAO上的BFO薄膜呈現(xiàn)出較低的介電損耗(tanδ＜0.05)和漏電流密度(J＜8×10-4 A/cm2)，其剩余極化強(qiáng)度（2Pr）為150μC/

6、cm2。
　　(4)在上述(3)的基礎(chǔ)上，選用LAO(100)為基底，分別在SRO、LNO和LSCO氧化物電極上沉積一系列BFO薄膜并探索不同底電極對薄膜性能的影響。研究結(jié)果與(3)類似，不同底電極對薄膜相組分和電性能具有明顯影響?？偟膩碚f，在SRO上沉積的BFO薄膜具有最優(yōu)電性能，如低的介電損耗(tanδ＜0.08)和漏電流密度(J～3.6×10-4 A/cm2)，其剩余極化強(qiáng)度(2Pr)為150μC/cm2。
　　(5)

7、為了改善BFO薄膜的儲能特性，我們在STO(100)單晶基底上沉積了BFO/BTO雙層薄膜，系統(tǒng)研究了薄膜的微結(jié)構(gòu)與電性能，著重分析了其能量存儲性能。研究表明相對于單層BFO和BTO薄膜，BFO/BTO雙層膜具有增強(qiáng)的介電、鐵電以及優(yōu)異的儲能特性，其可恢復(fù)的儲能密度高達(dá)51.2 J/cm3?；诳臻g電荷模型和LGD熱力學(xué)理論，我們認(rèn)為BFO/BTO雙層膜增強(qiáng)的能量存儲特性是由于空間電荷效應(yīng)和界面電荷耦合共同作用的結(jié)果。
　　(6)

8、在中低溫度(≤500℃)下，利用優(yōu)化的射頻磁控濺射工藝在Pt/Ti/SiO2/Si基底上成功沉積了BFO多晶薄膜。研究表明450℃和500℃沉積的薄膜均已完全晶化為純鈣鈦礦相，且呈現(xiàn)出較好的電性能。上述兩種BFO薄膜的剩余極化強(qiáng)(2Pr)分別高達(dá)～170μC/cm2和～280μC/cm2;相比于500℃沉積的薄膜，450℃生長的BFO薄膜具有更低的介電損耗和漏電流。此外，兩種薄膜均呈現(xiàn)出明顯的壓電響應(yīng)。為了進(jìn)一步降低BFO薄膜的漏電流以

9、增強(qiáng)其鐵電、壓電性能，我們利用相同的沉積工藝制備了性能優(yōu)異的BFO厚膜(＞1μm)。研究發(fā)現(xiàn)相比于BFO薄膜，其厚膜具有更低的損耗(tanδ＜0.02@450℃，tanδ＜0.03@500℃)和漏電流密度(J＜6.1×10-6 A/cm2@450℃，J＜2.9×10-5 A/cm2@500℃)。另外，兩種BFO厚膜均呈現(xiàn)出更加優(yōu)異的鐵電和壓電性能，其剩余極化強(qiáng)度(2Pr)和面外壓電系數(shù)(d33)分別高達(dá)231μC/cm2和269μC/c