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(CaSr)Bi_4Ti_4O_(15)铁电薄膜的制备与特性

范素华  
【摘要】: 铋系层状钙钛矿铁电材料由于在铁电非挥发存储器、热释电器件以及压电器件领域具有非常大的应用前景而成为国际功能材料领域的研究热点。由于其较强的结构各向异性,所以,控制薄膜取向以便于控制其性能成为人们关注的课题,也是该体系材料在未来的各种器件应用中需要解决的关键问题之一。最近,四层的铋层状钙钛矿结构体系材料如SrBi_4Ti_4O_(15)(SBTi)和CaBi_4Ti_4O_(15)(CBTi)由于具有较好的铁电性能受到较多的关注。同SrBi_2Ta_2O_9(SBT)和Bi_(3.25)L_(a0.75)Ti_3O_(12)(BLTi)一样,SBTi和CBTi的极化主方向是沿着a方向的,因此制备出(100)取向(a取向)的SBTi和CBTi薄膜是提高其铁电性能的有效方法。本论文主要围绕四层铋系钙钛矿铁电薄膜的取向控制以及提高薄膜的铁电性能,从以下几个方面进行了研究。 (1)LaNiO_3氧化物薄膜电极的研究。由于LaNiO_3(LNO)是钙钛矿结构,因而被证明是一种理想的铁电存储器件电极材料。为了实现LNO氧化物电极薄膜的取向控制,本论文系统地研究了预处理温度、退火温度、时间以及醋酸的加入量等工艺条件对LNO择优取向和电阻率的影响,通过优化工艺条件,在SiO_2/Si(100)衬底上制备了电阻率满足铁电存储器件电极材料要求的,且(100)和(110)高度择优取向的LNO氧化物薄膜电极。 (2)SBTi薄膜的制备及性能表征研究。分别在具有LNO底电极的SiO_2/Si(100)基片上和SiO_2/Si(100)衬底上制备了SBTi薄膜,研究了LNO取向对SBTi薄膜结构和铁电性能的影响。采用快速层层退火工艺在(100)取向择优的LNO氧化物电极薄膜上制备出了c取向择优的SBTi薄膜,首次定量分析计算了c取向SBTi与(100)取向LNO之间所存在的异质外延关系。在(110)取向择优的LNO氧化物电极上制备了(100)择优取向的SBTi铁电薄膜。系统研究了热处理工艺以及铋过量对沉积在SiO_2/Si(100)衬底上的SBTi薄膜取向的影响。通过优化工艺条件首次在硅衬底上成功地制备了(100)择优取向的SBTi铁电薄膜。认为(100)择优取向是由于晶粒沿a轴方向的生长速度比沿c轴方向要快得多,当快速层层退火时以轴取向的晶粒将会逐渐覆盖c轴取向晶粒的生长;另因a轴取向的晶粒结晶需要大的激活能,所以需在较高温度(700℃)下,才能得到(100)择优取向的薄膜。对(100)择优取向的SBTi薄膜进行电学性能测试发现薄膜有很好的绝缘性和优异的介电性能,其记忆窗口的宽度大约为0.7V。 (3)CBTi铁电薄膜制备及性能表征研究。主要从铋过量和退火工艺对CBTi铁电薄膜的结构、微观形貌和铁电性能影响进行了研究。铋过量过大和过小均不利于CBTi铁电薄膜的铁电性能。铋过量7.5mol%是最佳值,在700℃温度下保持300秒退火,有利于CBTi薄膜中晶粒(100)择优取向生长,显微结构均匀致密,晶粒呈球形,有利于其的铁电性能,剩余极化强度P_r,为6.1μC/cm~2,矫顽场强E_c为80kV/cm,矩形度为0.45。 (4)(CaSr)Bi_4Ti_4O(15)铁电薄膜制备及性能表征研究。在空气中,在750℃温度下退火5 min,Ca_(0.4)Sr_(0.6)Bi_4Ti_4O_(15)铁电陶瓷薄膜具有(100)择优取向和较好的铁电性和介电稳定性,剩余极化强度P_r,为8.37μC/cm~2,矫顽场强E_c为72kV/cm,频率1MHz以内,介电常数在234~219之间,损耗因子在0.009~0.073之间。在氧气气氛下制备的Ca_(0.4)Sr_(0.6)Bi_4Ti_4O_(15)铁电薄膜具有(100)择优取向以及较好的铁电性能,其剩余极化强度P_r为13.6μc/cm~2,矫顽场强E_c为95kV/cm,电滞回线的矩形度为0.631,且经过10~(10)次翻转后几乎无疲劳,抗疲劳性能好,在频率范围(10~3~10~6Hz),其介电常数较大(εr=270左右),介电损耗较小(tgδ0.027),有较高的频率稳定性。认为氧气气氛退火处理降低了氧空位浓度,有利于Ca_(0.4)Sr_(0.6)Bi_4Ti_4O_(15)铁电薄膜的结构(100)择优取向。对Ca_(0.4)Sr_(0.6)Bi_4Ti_4O_(15)铁电薄膜进行A位La掺杂增强了铁电薄膜的(100)择优取向,同时高价掺杂造成阳离子空位而抑制了氧空位,大大提高了薄膜的抗漏电性能,因而提高了薄膜的使用寿命。在La_(2x/3)V_(x/3)(Ca_(0.4)Sr_(0.6))_(1-x)Bi_4Ti_4O_(15)中x为0.24时,样品的剩余极化和矫顽场分别为22μC/cm~2,90kV/cm,矩形度为0.67,具有较高的使用价值。 (5)首次在Pt(111)衬底上得到了(100)择优取向的CSBTi厚膜。通过研究膜厚对CSBTi膜的结构和铁电性能的影响,发现不同厚度的(100)择优取向CSBTi膜的表面形貌很相似,基本上由圆球形的晶粒组成。(200)衍射峰随着厚度的增加而增加,但是CSBTi膜的剩余极化却随着厚度的增加有所降低。分析认为导致这一反常现象出现的主要原因是CSBTi厚膜中有部分区域由多层不同取向的晶粒叠加而成,造成了极化反转的困难。 通过工艺及组成探索,制备出了性能优良的四层铋层状钙钛矿铁电薄膜。对于SBTi、CBTI、CSBTi的研究成果为将来各种铋系钙钛矿铁电薄膜的取向控制和性能研究打下了坚实的基础,对氧化物薄膜材料的基础和应用研究均具有重要的意义。


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