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层状Sr-Bi-Ti-O铁电材料的制备及其性能研究

方旺胜  
【摘要】:铁电存储技术已经开始成为存储技术领域的新兴技术和重要经济增长点,其基本原理是利用铁电材料能够沿着外加电场方向产生极化,且这种极化状态可以随外电场发生反转,因此铁电存储器材料一方面要求有高的剩余极化强度,另一方面又要求有好的抗疲劳性,同时还需要有高热稳定性,大保持力,低漏导电流和与半导体集成技术相兼容的成膜温度等优点,研究已发现铋系层状铁电材料(BLSF)是铁电存储器的最佳候选材料,尤其是同系列Sr_mBi_4Ti_(m+3)O_(3m+3)(SBTm)铁电材料,但是目前不同m值的材料又具有各自致命的弱点而限制了其实用化进程,因此利用固溶、共生、取代和掺杂等技术对现有BLSF材料进行复合改性是一种趋势。这种改性必须建立在掌握该系列不同m材料各自的制备、结构及性能的基础上。可见,如果能够系统分析该系列材料的合成机理,以及相应性能随结构的变化关系,对制备高性能且实用性的铁电存储器材料具有非常重大的意义。 本文研究了同系列Sr_mBi_4Ti_(m+3)O_(3m+3)(m=3,4,5和6)铁电材料,首先成功制备出了m从3到6的铁电陶瓷,确定了该系列陶瓷材料最佳预烧温度是800℃,最佳烧结温度分别是900、1090、1180和1190℃,介电常数随着m增大而逐渐增大,而对应的损耗因子和居里温度则恰好相反。同时材料的剩余极化强度随m增大呈减小趋势,且与m值的奇偶有关。 其次利用溶胶凝胶法克服了固相反应法中反应不完全的劣势而成功制备了Sr_3Bi_4Ti_6O_(21)(SBT6)材料,并通过A位掺Pb制备Pb_(3x)Sr_(3(1-x))Bi_4Ti_6O_(21)材料,因受A位大半径pb~(2+)的影响,相应的居里温度、介电常数、损耗因子均随着Pb掺杂量的增大而逐渐减小。 最后通过A位掺Pb利用溶胶凝胶法制备BTO(m=3)薄膜,一方面由于Pb~(2+)较Bi~(3+)半径大,引起晶格膨胀;另一方面由于A位Bi~(3+)被低价的Pb~(2+)取代,因而形成相应的带正电荷的氧空位,同时由于Pb~(2+)极化率大,随着Pb掺杂量的增大,上述各种因素共同作用导致了材料的结构、介电性能和铁电性能随着Pb掺杂量发生了很有规律的变化。


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