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《扬州大学》 2004年
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掺杂对层状钙钛矿铁电材料铁电及弛豫性介电性能的影响

惠荣  
【摘要】:本学位论文着重于A位掺杂对层状钙钛矿铁电材料(BLSFs)铁电性能及弛豫性介电行为影响的研究。 SrBi_4Ti_4O_(15)(SBTi144)具有较好铁电及抗疲劳性能,但仍不能完全满足非易失性铁电随机存储器(FeRAMs)的需要,文献报道用二价阳离子取代A位的Sr,形成MBi_4Ti_4O_(15)(M=Pb,Ca),在一定程度上改善了薄膜的铁电性能,但薄膜中用三价阳离子取代A位Bi离子目前还未见报道,其对SrBi_4Ti_4O_(15)性能的影响及机理有待进一步的研究。 本工作运用Sol-Gel法制备了SrBi_(4-x)Nd_xTi_4O_(15)(SBNT)薄膜,结合X射线衍射、扫描电子显微镜、原子力表面显微镜及铁电性能测试结果分析,着重研究了制备工艺和掺杂对SBT144薄膜性能的影响。结果表明:工艺过程中的因素,如前驱体溶液、前驱溶液PH值、焙烧温度及退火温度均对SBNT簿膜表面形貌和铁电性能有显著的影响,通过实验总结出薄膜制备的最佳工艺条件,这对于SrBi_(4-x)Nd_xTi_4O_(15)以外的薄膜制备提供了有益的参考。 对不同掺杂量样品的铁电性能测试结果显示:薄膜的剩余极化随掺杂浓度的上升而下降,当外加电场强度约为375kV/cm,实验得到SrBi_(4-x)Nd_xTi_4O_(15)(x=0.5)薄膜的剩余极化2P_r,为6μC·cm~(-2),与未掺杂时SBT144薄膜的剩余极化2P_r为20μC·cm~(-2)相比,2P_r下降了约70%。X射线衍射结果表明随Nd掺杂浓度的上升薄膜中非晶相逐渐增多,从样品的原子力表面显微图片上可见薄膜表面起伏度随掺杂量的增加而变大,晶粒逐渐不均匀、粗糙。这可能与原子半径较小的Nd取代Bi后所引起的晶格畸变减小、Nd离子可能进入(Bi_2O_2)~(2+)层破坏了(Bi_2O_2)~(2+)的空间电荷库作用等有关。我们还测量了低频下SrBi_(4-x)Nd_xTi_4O_(15)(x=0.25)薄膜的抗疲劳性能,经过7.2×10~9次翻转后薄膜±(P~*-P~^)约下降了60%。 层状钙钛矿铁电体中因掺杂含量的不同而引起的弛豫性介电行为目前很少见文献报道,本工作研究了La掺杂层状钙钛矿结构铁电材料Bi_4Ti_3O_(12)(BIT),SrBi_4Ti_4O_(15)(SBTi144),Sr_2Bi_4Ti_5O_(18)(SBTi245)及共生结构材料Bi_4Ti_3O_(12)-SrBi_4Ti_4O_(15) 扬州大学硕一七学位论文 (BIT一SBTil44)的变温介电特性,实验中发现当La含量比较低!!寸,1114一xLax1’i3O;2, SrBi4一LaxTi4O;5,SrZBi4礴LaxTi5O,s,SrBi。一Laxl’1702:显示出l卜常铁I一匕体千z二为,随着 La含量的增加,Bi4一:LaxTi3O12(X之1.25),SrBi4、Lax尸ri4O15(X=1.0),SrZBi4一LaxTi5O,8 (x之0.5),SrBi脉Laxl,1702:(x二1 .50)开始出现弛豫铁电体的典型特征。川拉曼光谱 研究了La掺杂对SrBi4Ti4O一5,SrZBi4Ti5OI:及Bi4rl’130,2一SrI3i4’I’140,5至产,j勾的影l枯iJ, 发现当SrBi4Ti4O15中La掺杂量为0.10,SrZBi4TisO:,「!‘IJa掺杂量为0.05, Bi4Ti3O,2一srBi4Ti4o:5中La掺杂量为0.50时‘,离子开始取代秘氧层中的Bi离子。 另外由、二30 cm一’以下对应结构相变的模软化可以看出,srBi,1’ 14015中La掺杂 量为1.00,S几Bi4Ti5O,:中La掺杂量为0,50,Bi4Ti3O:2一SrBi;Ti4O、5‘},La掺杂量为 1.50时,该处的模软化消失,表明晶体山铁电相}句顺电相转变。此结果与各样品 中出现弛豫时La含量的值相一致。以上结果与Minoru osada等人在Bur曳的研 究结果相似。我们认为La离子含量超过一定值时,部分La离子习事取而氧层中的 Bi离子,从而在一定程度上破坏了秘氧层空间电荷库的作用,削弱了其对氧空位 聚集钉扎的抑制,富氧空位处局域应变增大,进而产生微畴,同时山于四方相存 在更大应变,促进了宏畴的形成,两者共同作J一月的结果,当La含量适当时,出 现了自发的微畴兮宏畴之间的相互转换。
【学位授予单位】:扬州大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:O482

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