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《华东师范大学》 2012年
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Zn-Mn共掺钛酸钡薄膜的化学溶液法制备与特性研究

高婉丽  
【摘要】:在1945年发现的钛酸钡(BaTiO3,简称BTO),是第一个被发现的含有氧八面体的钙钛矿铁电材料。由于铁电材料具有良好的铁电、压电、介电和热释电等性能,近几年铁电材料的研究和发展都十分迅速。此类材料结构简单,具有较高的介电常数和良好的压电铁电性。其高介电性可应用于薄膜电容器和高容量动态随机存储器(DRAM),压电性曾被广泛应用于水声探测、压电陀螺,铁电性也可被应用于铁电随机存储器(FRAM)。由于薄膜制备技术的发展,能在较低的衬底温度下沉积有择优取向的薄膜,使得铁电薄膜工艺技术与半导体工艺技术融合,将铁电薄膜材料制作成集成铁电器件变为可能。 然而,纯的BTO薄膜通常情况下漏电流较大,电滞回线不饱和,铁电性不理想。前人已经研究出分别掺入Zn、Mn、Fe等金属离子代替BTO的B位之后,BTO薄膜表现出更优的铁电性,但共掺金属离子的研究较少。本论文针对此问题进行了研究,实验后发现掺杂金属离子特别是金属离子共掺条件下,铁电薄膜特性会有所改善。 本论文利用简单易操作、成本低的溶胶—凝胶法制备纯的和掺杂金属离子Zn和Mn的BTO薄膜。通过对薄膜各种性能比较和分析可以得到更优的工艺条件和质量较高的BTO薄膜,并研究了纯的和掺入金属离子的BTO薄膜晶体结构、微观形貌、电学、光学等性质。 本论文取得的研究成果如下: 1.首先对BTO的化学溶液法制备原理进行分析,经过重复多次的甩胶和快速热退火处理,分别在Si(100)和LNO/Si(100)衬底上成功制备出高质量的BTO薄膜。为了更充分的研究掺杂金属对薄膜的晶体微结构和铁电性的影响,采用同样的方法分别制备了掺Zn、掺Mn和Zn-Mn共掺BTO薄膜。获得了采用钛酸四丁酯和醋酸钡为原料,用乙醇和醋酸为溶剂,加入适量的螯合剂乙酰丙酮合成BTO溶胶是更为优化的工艺方法。 2.利用X射线衍射和原子力显微镜对掺杂BTO薄膜晶体结构和表面形貌进行了测试表征。XRD测试结果表明LNO作为Si衬底和BTO薄膜的缓冲层可以使BTO晶格生长的择优取向更高。微量掺入Zn和Mn离子没有改变钙钛矿晶体结构,并且改善了薄膜的结晶质量。AFM测试结果表明薄膜表面生长均匀致密,晶粒尺寸与XRD衍射峰的计算结果相吻合。 3.为了研究Zn和Mn掺杂对BTO薄膜光学性质的影响,对薄膜进行了椭圆偏振光谱和拉曼光谱测试。通过比较400nm至1000nm范围内掺杂量不同的BTO薄膜的折射率和消光系数,得到随着掺入Zn和Mn含量的增加,BTO薄膜的介电常数和禁带宽度增大。通过对拉曼光谱的分析,发现掺杂和未掺杂的薄膜都存在504cm-1对应的A1(TO2)的声子模,这是BTO在立方相和四方相下共有的峰。除了这个声子模以外,薄膜还具有E(TO2+LO2)对应的305cm-1和A1(LO3)对应的719cm-1这两个拉曼峰,这两个峰是BTO在四方相下的特征峰。与未掺杂的BTO薄膜进行比较可以得到,随着掺Zn量的增加,所有峰值都在增强,可以由此推论微量掺入Zn离子可以微小促进晶格的畸变,以及改善薄膜结晶的致密度。 4.在LNO/Si导电衬底上制备出掺杂以及未掺杂的BTO薄膜,并在薄膜上溅射Pt电极,从而制成铁电薄膜电容结构,分别测试掺杂和未掺杂薄膜的铁电特性。研究表明微量的Zn-Mn共掺条件下BTO薄膜具有更良好的铁电性,其剩余极化值为11.26μC/cm2,此结果说明微量的Zn-Mn共掺可以增强薄膜的铁电性能。该结果已经发表在Journal of infrared and millimeter waves期刊上。
【学位授予单位】:华东师范大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TN304.055

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【参考文献】
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