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《湘潭大学》 2010年
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BDT铁电薄膜和ZnO纳米带压电性能的测试与表征

荣英凤  
【摘要】: 铋层状铁电材料具有优良的铁电性能,如高的剩余极化值、良好的抗疲劳特性、较高的居里温度及小的漏电流,因而它特别适合于高温、高频条件下的使用,在铁电存储器领域有着广泛的应用前景。随着微电子技术的发展和高度集成化趋势对材料的要求,铋层状铁电薄膜材料的制备和性能研究成为目前国际上研究的热点。除了铁电特性外,铋层状铁电材料的压电性能也具有重要的应用价值。 本文第1章对铁电薄膜和Ⅱ-Ⅵ族半导体压电纳米带的发展概况、应用前景、制备方法和研究现状进行了综述。在此基础上,提出了本文的研究内容,即采用金属有机物分解(MOD)法制备Bi_(4-x)Dy_xTi_3O_(12) (BDT)铁电薄膜,探讨退火温度对薄膜的表面形貌、电滞回线、压电系数的影响,同时对Ⅱ-Ⅵ族压电纳米带的压电性能和机电耦合性能进行研究。 第2章以铋层状钙钛矿铁电薄膜材料BDT为研究对象,运用MOD技术,在Pt/Ti/SiO_2/Si(111)的基底上采用不同退火温度(600°C-800°C)制备了BDT (x=0.85)薄膜。本章详细地介绍了MOD法制备BDT薄膜的工艺流程和工艺参数;借助X射线衍射技术(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、铁电分析仪、压电测试仪分别表征了BDT薄膜的微观结构、电学性能和压电性能,并比较分析了退火温度对BDT薄膜的微观结构、铁电性能和压电性能的影响;确定了700°C为MOD法制备BDT薄膜的最佳退火温度。700°C下的BDT薄膜,在690 kV/cm电场强度下的剩余极化和自发极化强度分别为16.2μC/cm2和23.3μC/cm2,310 kV/cm电场强度下的最大压电系数为63 pm/V。压电性能的改进使得BDT薄膜成为一种应用于压电薄膜器件的候选材料。 第3章采用热蒸发方法制备了ZnO纳米带,并通过真空蒸发和溅射等方法制备了不同的金属薄膜电极。借助XRD、SEM、TEM表征了ZnO纳米带的微观结构,并利用Kelvin探针系统测试了分散在不同金属电极上的ZnO纳米带的表面电子功函数和表面光伏特性。得到Pt、Ti和Ag电极与纳米带接触的功函数分别为5.25 eV、4.65 eV和4.33 eV,确定了Pt、Ti电极与ZnO纳米带之间的接触为肖特基接触,而Ag电极与ZnO纳米带之间的接触为欧姆接触。 第4章提出了测试Ⅱ-Ⅵ族纳米带机电耦合系数的方案。利用简支梁结构,推导出纳米带机电耦合系数的理论公式,并验证了利用接触电阻(ECR)测试系统进行实验测量的可行性。通过分析影响耦合系数测量的因素,设计出了合理的孔状电极结构,并将纳米带搭建在孔状电极上。另一方面,从理论上解释了利用纳米带的压电特性和半导体特性相互耦合产生电流的机理。
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