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钛酸铋基铁电薄膜的Sol-gel法制备及改性研究

裴玲  
【摘要】: 稀土离子掺杂的Bi4Ti3O12(BTO)基铁电薄膜具有优异的铁电和抗疲劳特性,在新型非易失性铁电存储器等方面具有潜在的应用前景。本论文采用溶胶-凝胶工艺制备了A位镧系元素(La, Nd,Tb)、A位Nd和B位Mn共掺杂的BTO基铁电薄膜,研究了掺杂离子对BTO薄膜结构和电性能的影响;研究了不同晶种层对Bi3.25La0.75Ti3O12(BLT)薄膜的结晶取向和铁电性能的影响;最后采用绝缘性能好的Bi3.15Nd0.85Ti3O12(BNT)铁电薄膜作为缓冲层,与多铁材料BiFeO3 (BFO)复合制成BNT/BFO多层薄膜,研究了BNT铁电薄膜对BFO多铁薄膜电性能的影响。主要内容如下: 1.利用溶胶-凝胶法在Pt/TiO2/SiO2/Si衬底上制备了具有随机取向的单相层状钙钛矿结构的BLT和BNT薄膜。扫描电镜(SEM)的观测显示了这些薄膜具有50—100纳米大小的晶粒构成的均匀致密的的表面形貌。这些薄膜电容显示了很好的饱和电滞回线。在最大外加场强为400kV/cm时,得到BLT薄膜的剩余极化强度(2Pr)和矫顽电场(2Ec)分别为25.1μC/cm2和203kV/cm,BNT薄膜的分别为44.2μC/cm2和296kV/cm。而且,在1MHz频率测试下经过1.75×1010次读写循环后,由BLT和BNT薄膜组成的电容器几乎没有表现出疲劳,呈现很好的抗疲劳特性。分析比较了La和Nd掺杂对薄膜结构及铁电性能的影响及其机理。 2.首次采用Sol-gel技术在Pt/TiO2/SiO2/Si衬底上制备了高价Tb4+掺杂BTO的Bi4-xTbxTi3O12(BTTx)薄膜。BTTx薄膜表现出多晶钙钛矿结构,具有饱和的电滞回线。相比于纯BTO薄膜,BTT薄膜具有以下改善的性能:(i)在外加最大电场为540kV/cm时,具有饱和的电滞回线、大的剩余极化值(Pr~60μC/cm2)及小的矫顽电场(Ec~298 kV/cm);(ii)在经过1.0×1010极化反转后,BTT薄膜表现出无疲劳特征。这表明高价Tb4+的掺杂明显提高了BTO薄膜的铁电性能和抗疲劳特性,这可能归因于Tb4+的掺杂引起的薄膜的晶格畸变和可能降低的氧空位浓度。 3.采用Sol-gel法在Pt/TiO2/SiO2/Si衬底上制备了A位Nd和B位Mn掺杂的Bi3.15Nd0.85Ti3-xMnxO12 (BNTMX,x=0,0.01,0.03,0.05和0.1)薄膜。BNTM薄膜具有单相钙钛矿的多晶微结构和均匀致密的的表面形貌。Mn的掺杂使BNTM薄膜的晶格产生明显畸变。随着Mn掺杂浓度的增加,BNTM薄膜的2Ec值逐渐降低,而2Pr值在x=0.05时具有最大值;Mn掺杂量为x=0.05的样品具有最佳的电性能,在最大测试场强为400kV/cm时,其2Pr和2Ec分别为38.3μC/cm2和180kV/cm。在f=1MHz时,其介电常数和介电损耗分别为290和0.08。疲劳测试表明,经过1.0×1010次读写循环后,该薄膜电容器呈现优良的抗疲劳特性。 4.采用Sol-gel技术在Pt/TiO2/SiO2/Si(100)衬底上分别制备了以Bi2O3、TiO2和BTO为晶种层的BLT铁电薄膜。XRD结果表明不同的晶种层对BLT薄膜的取向具有不同的影响。含不同晶种层的BLT薄膜的表面形貌也不同,其结果同XRD分析结果相对应。不同的晶种层对BLT薄膜的漏电流产生不同的影响,以TiO2晶种层制备的BLT薄膜的漏电流密度最小。铁电性能分析表明在BTO晶种层上沉积BLT薄膜的剩余极化2Pr最大,为62.6μC/cm2,疲劳测试表明各薄膜均具有良好的抗疲劳特性,其中以TiO2为晶种层制备的BLT薄膜的抗疲劳特性最优。 5.采用Sol-gel法在Pt/TiO2/SiO2/Si(100)衬底上制备了BFO/BNT多层薄膜。研究了室温下复合薄膜的结构、漏电流、铁电和抗疲劳特性。相对于纯的BFO薄膜,BFO/BNT多层薄膜具有更低的漏电流,能承受更高的测试电场而获得充分极化,从而表现出优良的铁电性,在350kV/cm的测试电场强度下,剩余极化强度为55μC/cm2。在6V的测试电压下,BFO/BNT薄膜的漏电流密度比纯BFO薄膜的漏电流密度要低两个数量级。


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