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《济南大学》 2011年
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(100)-取向Bi_(3.15)Nd_(0.85)Ti_3O_(12)薄膜低温制备与压电性能研究

王金翠  
【摘要】:作为一种典型的铋系层状钙钛矿材料,钛酸铋(Bi_4Ti_3O_(12),BTO)由于不含有对环境和人体有害的铅,具有非常好的铁电、压电、介电以及热释电等性能,被认为是用于未来铁电和压电器件的重要的候选材料。最近几十年,人们研究发现用镧系元素部分取代Bi_4Ti_3O_(12)中A位上的Bi元素(BLnT),可以提高薄膜的铁电和压电性能。而且研究证明,当镧系元素的掺量≤0.85时,薄膜主极化轴的方向依然靠近α轴,不会发生改变。因此,制备(100)-取向择优的BLnT薄膜,是提高薄膜剩余极化、压电常数以及微观结构均匀性最有效的方法。德国马普研究所的Lee等人在SrTiO3单晶衬底上采用激光脉冲沉积技术(PLD)制备出了(100)取向的1微米厚的Bi_(3.25)La_(0.75)Ti_3O_(12)薄膜。国内外几个课题组利用化学溶液法结合层层退火工艺做了很多的工作,但是制备的BLnT薄膜的(200):(117)的值还没有超过4。 针对上述问题,本论文利用溶胶-凝胶法制备了Bi_(3.15)Nd_(0.85)Ti_3O_(12)(BNT0.85)薄膜,系统的研究了影响薄膜种子层晶化程度和取向的因素,以及种子层和铋过量等因素对最终薄膜的取向和铁电、压电性能的影响。本论文研究的主要内容以及得到的结论如下: 1.在Si(100)衬底上制备了一系列的BNT0.85薄膜,研究了种子层薄膜的厚度、预处理温度、退火温度和退火时间对BNT0.85薄膜种子层晶化程度和薄膜取向的影响。结果表明,BNT0.85薄膜种子层的晶化程度和取向对单层薄膜的厚度非常敏感,薄膜增加或减少15-20nm都会给薄膜的结晶结构带来巨大的变化。当薄膜的厚度为70nm时,薄膜(100)-取向的择优度最高。从原子力显微镜图谱也可以发现此时薄膜中绝大部分为(100)-取向的晶粒;预处理温度也会影响薄膜晶粒的成核与生长,随预处理温度的增高,薄膜的晶化程度逐渐变差,预处理温度为400°C时,比较有利于后续工艺中薄膜(100)-取向晶粒的生长;采用层层退火工艺或者制备单层薄膜,退火温度和退火时间都存在一定的区间,在这个区间内比较有利于BNT0.85薄膜(100)-取向晶粒的成核与生长,而且(100)-取向晶粒的择优生长是本征的,不依赖于衬底。 2.为了研究薄膜种子层对整个薄膜的取向和铁电、压电性能的影响,本论文利用不同的种子层(分别在560°C退火180s,570°C退火240s)在Pt(111)/TiO_2/SiO_2/Si衬底上制备了500nm厚的BNT0.85薄膜。实验结果表明,种子层薄膜的晶化程度和取向对整个薄膜取向择优度的影响非常大,种子层(100)-取向的择优度高可以有效的提高整个薄膜(100)-取向的择优度,减小(200)-和(117)-取向晶粒竞争性生长的过渡层厚度,提高整个薄膜的对称性;种子层薄膜可以改善整个薄膜的铁电性能,对薄膜压电性能的影响非常明显。种子层退火工艺为560°C退火180s的薄膜的压电常数最大值达到了74pm/V,比种子层采用570°C退火240s工艺的薄膜提高了75%。 3.在BNT0.85薄膜中由于Bi元素的扩散速率最快,对薄膜中不同取向晶粒生长速率的影响最大。因此,本论文制备了一系列不同Bi过量(0%-25%)的500nm-BNT0.85薄膜。实验结果表明,当Bi的过量不同时,薄膜都是(100)-取向择优的,(100)-衍射峰的相对强度[I(200)/I(117)]超过了6。当Bi过量15%时,薄膜电滞回线的矩形度比较大,薄膜的剩余极化最大,矫顽场最小。当Bi过量15%和20%时。薄膜的压电常数d33最大,分别为73,74pm/V。 总之,本论文通过研究薄膜种子层和不同Bi过量对薄膜取向、铁电和压电性能的影响,从而提高了薄膜(100)-取向的择优度,改善了薄膜的铁电、压电性能。为以后对钛酸铋基铁电薄膜进一步的研究和实际应用打下了坚实的基础。
【学位授予单位】:济南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:O484.1

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