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用于铁电存储器的Bi_(3.25)La_(0.75)Ti_3O_(12)薄膜生长与性能研究

李建军  
【摘要】:铁电存储器是一种具有快速读写操作、低功耗、抗辐射等优异特性的非易失性存储器,有广阔的应用前景。掺La钛酸铋(BLT,Bi_(3.25)La_(0.75)Ti_3O_(12))铁电薄膜是用于铁电存储器最具潜力的材料之一。本论文研究了提高BLT系列铁电薄膜性能的优化工艺及薄膜生长的模拟。 采用溶胶—凝胶法在Pt/TiO_2/SiO_2/p-Si(100)衬底上制备了BLT铁电薄膜。研究了退火工艺对薄膜性能的影响。退火温度对薄膜的微观结构和铁电性能有强烈的影响。同时,温度和气氛对薄膜铁电性能的影响存在着竞争关系,综合考虑,750℃下氧气含量为20%的氮氧混合气氛退火的薄膜具有最佳的铁电性能。退火氧气压对薄膜的晶化度、微观形貌、铁电性能都有影响,10~(-1) atm氧气压下退火的薄膜具有α轴择优取向和良好的铁电性能。 对BLT薄膜进行B位V~(5+)掺杂改性研究。分别制备了Bi_4Ti_3O_(12)(BIT)、BLT、Bi_(3.99)Ti_(2.97)V_(0.03)O_(12)(BTV)和Bi_(3.24)La_(0.75)Ti_(2.97)V_(0.03)O_(12)(BLTV)薄膜。BLTV薄膜表现出随机取向,并由倾斜于薄膜表面的柱状晶粒构成。同时,拉曼光谱表明,A位的La掺杂对B位的Ti有一定的影响,V的掺杂对TiO_6(或VO_6)八面体的对称性有所降低,并增强了Ti-O键(或V-O键)的杂化。此外,V掺杂能起到电荷中和的作用,从而抑制和减少氧空位的产生。对比BLT薄膜,BLTV薄膜在V掺杂的作用下提高了铁电性能、抗疲劳特性并改善了漏电流特性。 为确定最佳V掺杂量,制备了不同V掺杂量的Bi_(3.25-x/3)La_(0.75)Ti_(3-x)V_xO_(12)(x:0~8%)薄膜。随着V掺杂量的增加,薄膜的剩余极化和抗疲劳特性都表现出先提高后降低的变化规律,当V掺杂量为3%时,BLTVx薄膜获得最大的剩余极化值(25.4μc/cm~2)和最好的抗疲劳性能(经10~(10)极化翻转后,剩余极化保持为初始值的90%)。当V掺杂量达到5%时,这种性能的提高达到饱和。而当V掺杂量达到8%时,BLTVx薄膜将出现较大的晶格畸变,且过量的V将产生电荷缺陷,因此过量的V掺杂又将降低薄膜的铁电性能。 在研究V掺杂提高BLT薄膜性能的基础上,为了降低晶化温度,采用紫外光辅助溶胶—凝胶法制备BLTV铁电薄膜。紫外光辐照促进了凝胶薄膜中相关C、H、O有机成分的分解,有利于薄膜在后期退火处理过程中的晶化。经紫外光辐照的BLTV薄膜样品在650℃退火处理后表现出良好的铁电性能(2P_r为38.7μc/cm~2,2E_c为202.4kV/cm)。 以形核理论为基础,研究了随着晶化温度的升高,晶粒尺寸增加,同时形核势垒增加,形核主要由界面形核决定,并从实验中观测到800℃晶化得到的BLT薄膜表现出与界面形核相对应的c轴取向的柱状晶粒。结合扩散限制簇团聚模型和反应限制聚集模型模拟了随着粒子数量增加对薄膜生长过程的影响。粒子数量较少时,粒子聚集具有一定取向;随着粒子数量的增加,粒子聚集分布逐渐均匀。同时,通过设计相关实验得到了模型的验证,粒子数量较少的薄膜的晶粒分布有一定的取向,且晶粒尺寸较大,反映了粒子的集中聚集、长大;随着粒子数量的增加,晶粒尺寸逐渐减少并逐渐分布均匀。


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