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钙锶铋钛铁电薄膜晶粒定向工艺及机理的研究

车全德  
【摘要】: 铋层状钙钛矿结构铁电材料(bismuth layer-structured ferroelectrics:BLSFs)具有较高的居里温度,较低的介电损耗以及较好的抗疲劳性能而适用在铁电随机存储器、高温高频铁电压电器件和高密度电容器,因而受到材料界的广泛关注。这类材料的主要研究对象有SrBi2Ta209(SBT)、SrBi4Ti4O15 (SBTi)和Bi4-xLaxTi3O12。铋层状钙钛矿结构材料的化学通式为(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-,(BiO2)2+为层状结构,(Am-1BmO3m+1)2-为类钙钛矿结构,层状结构(Bi2O2)2+(简称铋层)与类钙钛矿结构层(以氧八面体BO6为标志)交替排列,A一般为+1,+2或者+3价离子,B为+3,+4或者+5价离子,m为类钙钛矿层(氧八面体BO6)的个数。其结构可以看成是(B2O2)2+层和类钙钛矿层(Am-1BmO3m+1)2交互生长的结构。 SBTi是一种典型的铋层状钙钛矿结构铁电材料,有着较大的剩余极化强度和抗疲劳性能,但是其较低的居里温度(520℃)限制了它的应用。近年来随着高温铁电压电装置的出现以及高温应用要求的不断提高,迫切需要有较高居里温度的高温铁电压电材料。CaBi4Ti4O15(CBTi)是与SBTi结构相同的铋层状钙钛矿结构铁电材料,其突出的优点恰是居里温度较高(790℃)。为此,本课题组对SBTi铁电薄膜进行Ca2+取代改性研究,结果表明,Ca2+取代量为0.4时,即Cao.4Sr0.6Bi4Ti4O15(简称C0.4S0.6BTi)薄膜样品的铁电性能良好。 铋层状钙钛矿结构的各向异性决定了其铁电性能与其晶粒取向有着密切的关系。由于平移面和滑移面的存在,当m为偶数时,沿b轴和c轴的位移相互抵消,它们对总极化无贡献,其自发极化轴沿a轴方向。所以对于C0.4S0.6BTi(m=4)制各a轴择优取向的铋层状钙钛矿结构铁电材料是提高其铁电性能的有效途径。本文通过对热处理工艺条件的控制、Ti02缓冲层的引入和适量的Sm掺杂分别制备了a择优取向的C0.4S0.6BTi铁电薄膜,并对相应的作用机理进行了探讨。 本文采用溶胶-凝胶(Sol-gel)法在Pt/Ti/SiO2/Si基片上制备了C0.4S0.6BTi铁电薄膜,研究了匀胶速度、热分解温度与热处理温度对薄膜取向和性能的影响。用X射线衍射表征了薄膜的晶体结构,用扫描电镜观察了样品显微形貌。根据实验结果和分析,得出在Pt/Ti/SiO2/Si基片上制备a轴择优的C0.4S0.6BTi薄膜的优化热处理工艺条件为:匀胶速度4000r/m,热分解温度400℃,退火温度为800℃。所制备的a择优取向的薄膜样品结晶良好,晶粒多呈球状,剩余极化强度Pr可达16.1μC/cm2(对应矫顽电场为85kV/cm),且表现出优异的抗疲劳性能,经过109极化翻转后几乎没有疲劳现象。 采用溶胶-凝胶法在Pt/Ti/SiO2/Si基片与C0.4S0.6BTi薄膜之间引入金红石相的TiO2缓冲层。研究发现,并没有因TiO2缓冲层的引入而产生杂相,得到的仍为纯铋层状钙钛矿结构C0.4S0.6BTi薄膜,而且得到了高度a择优取向的薄膜样品。对薄膜样品进行显微结构分析发现,样品表面光滑、致密、无裂纹,结晶发育良好,且晶粒形状多为球形。同时发现,金红石相的TiO2缓冲层与C0.4S0.6BTi薄膜在结构上存在一种外延生长关系:(100)[C0.4S0.6BTi]//(101)[010]Ti02。对于铋层状钙钛矿结构薄膜来说,金红石相的TiO2应该是一种很有应用前景的缓冲层材料。 采用溶胶-凝胶工艺在Pt/TiO2/SiO2/Si基片上制备了Ca0.4Sr0.6SmxBi4-xTi4O15铁电薄膜。研究了不同钐掺量对薄膜的显微结构、晶粒取向及铁电性能的影响。结果表明:钐掺杂对钙锶铋钛铁电薄膜既有抑制氧空位所导致的畴钉扎作用,也有抑制晶粒生长发育的作用。当钐掺量x=0.05时薄膜样品晶粒发育较良好,沿a轴择优取向,I(200)/I(119)=0.869,样品铁电性能优良,剩余极化强度Pr=10.2μC/cm2。


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