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退火温度对BENT薄膜铁电性能和残余应力的影响

吴雄利  
【摘要】:铋层状结构铁电体(BLSFs)铁电薄膜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。它具有优良的压电、铁电、热释电和电光等性能,同时还具有较高的耐击穿强度和相对高的介电常数,可广泛应用于动态随机存储器(Dynamic Random Access Memory,DRAM)、铁电随机存储器(Ferroelectric Random Access Memory, FeRAM)、铁电场效应晶体管(Ferroelectric Field Effect Transistor,FeFET)、光存储器和光显示器等光电子器件。Bi4Ti3O12(BTO)是一种典型层状钙钛矿结构的铁电材料,但是它的剩余极化强度不高和抗疲劳性差。人们通过掺杂方法能够改善铁电薄膜材料的电学性质,但是并不是任意元素掺杂都会得到好的效果,科学家们尝试用不同的元素掺杂的方法,制备出不同种类的BTO基铁电薄膜材料,希望寻求到能够满足实际生产需要的铁电薄膜材料器件。本论文所做实验中,制备出了高极化率的铁电薄膜。在退火温度600、650、700和750°C下,通过金属有机物分解(MOD)法,制备了四组双A位掺杂Bi3.15(Eu0.7Nd0.15)Ti3O12(BENT)铁电薄膜。主要研究了退火温度对其电学性能和残余应力的影响。本论文的主要内容如下: (1)在不同退火温度600、650、700和750°C下,所有经退火的样品,薄膜表面无裂纹,为多晶铋层状钙钛矿相且没有任何焦绿石相出现,Eu和Nd的掺杂也没有影响薄膜的微观晶体结构。所有BENT铁电薄膜中,退火温度为650°C的样品的铁电性能最佳,在260 KV/cm电场强度下,2Pr为最大103μC/cm~2;在频率为200 KHz下,介电常数εr为最大1046;在225 KV/cm电场强度下,漏电流J为最低1.15×10~(-8) A/cm~2。结果表明:适合的退火温度将会影响双掺杂BENT铁电薄膜中Bi的含量。Bi过量将会导致自由空穴、离子和电子缺陷过多,造成薄膜内部对称结构和不对称结构中局域电子态的差异,Bi蒸发导致的Bi含量不足和高温致使铁电薄膜器件结构缺陷,阻止极化翻转。运用位移效应原理,对A位双掺杂改善铁电材料性能理论进行了合理解释。 (2)残余应力是影响薄膜力学性能的重要因素,残余应力达到一定程度将会引起薄膜/基底构件的失效。本论文主要介绍采用X射线衍射技术,采用传统sin2ψ法四点法测量BENT了铁电薄膜中的残余应力,并讨论了退火温度对残余应力的影响,以及残余应力与剩余极化强度之间的关系。在一定退火温度范围内,BENT薄膜的残余压应力随着退火温度增加而减小,而薄膜的剩余极化强度随之增强。


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