铋系钙钛矿结构薄膜材料的制备及性能研究

【摘要】：钙钛矿型铁电薄膜作为一种功能材料,历年来都受到国内外学者的广泛关注。由于具有良好的铁电性、介电性、热释电性以及非线性光学等特性,其在微电子学、光电子学等方面具有非常广泛的应用前景。其中,铋系铁电薄膜因环境友好,已成为当前铁电材料的研究热点之一,有望取代现有的铅基铁电材料。但目前对于铋系材料的研究主要集中于层状结构氧化物领域,其结构较为复杂,同时具有明显的各向异性,从而在一定程度上限制了其应用。因此,对于钙钛矿结构铋系氧化物的研究意义重大。 本文选取了典型的钙钛矿型铋系薄膜材料钛酸铋钠(Na0.5Bi0.5TiO3,NBT),围绕其低温条件下的介电性能进行了相应研究。同时又以新型的铋系钙钛矿材料铝酸铋(BiAlO3,BAO)为对象,探索了BAO薄膜的生长工艺,为BAO薄膜的基础研究提供了一定的实验支持。具体研究内容如下： (1)采用溶胶凝胶法在LaNiO3(LNO)/Si(100)衬底上制备了NBT薄膜。研究了不同退火温度对NBT薄膜结构形貌的影响,发现700℃退火的薄膜具有最好的晶化程度和成膜质量。在高纯氮气氛围下对700℃C的NBT薄膜进行后处理得到NBT-N2薄膜,研究了处理前后薄膜介电性能的差异,发现NBT-N2薄膜中存在类德拜(Debye-like)介电弛豫过程。 (2)为了进一步研究上述介电差异,对NBT-N2薄膜进行了低温介电性能研究,温度范围为100K—400K。对该温度范围内出现的介电弛豫的微观机制做了一定的探索,得出NBT-N2薄膜中存在两个热激活过程。同时采用复阻抗谱分析了介电响应,发现介电弛豫过程符合Debye-like模型。 (3)首次尝试采用化学溶液沉积法(CSD)制备BAO薄膜。研究了不同退火温度对薄膜微结构的影响,发现500℃以下退火得到了预期的BiAl03相,随着退火温度的升高,薄膜以Bi24Al2039相、Bi2Al4O9相和Bi203相为主,且薄膜的成膜质量变差。研究了慢速后退火对薄膜结构的影响,发现慢退火并不能改善薄膜晶化程度、抑制杂质相。 (4)首次尝试采用原子层沉积(ALD)技术制备Bi-Al-O薄膜,并对薄膜的生长工艺进行了一定摸索,发现不同衬底对薄膜生长的诱导作用不同。研究了不同温度后退火对薄膜微观结构的影响,发现在较低温度(500℃)下生成了BiAlO3相。对薄膜形貌的研究发现,Bi-Al-O三元氧化物薄膜的厚度小于根据二元氧化物的ALD生长速率计算得到的结果,这可能与不同的生长机制有关。