γ-射线辐照及掺杂对铋基铁电薄膜性能影响的研究

发布时间：2018-12-07 13:22

【摘要】：铁电薄膜因存储密度大、读写速度快、能量消耗低、应用范围广而成为人们热衷研究的领域。在这一领域中Bi_4Ti_3O_(12)(BTO)铁电薄膜和BiFeO3(BFO)多铁性薄膜因无铅及更优异的性能而格外引人注目。本文采用溶胶-凝胶(Sol-gel)法在衬底Pt/Ti/SiO_2/Si上制备Bi_(3.25)La_(0.75)Ti_3O_(12)(BLTO)、Bi_(3.96)Sb_(0.04)Ti_3O_(12)(BSTO)铁电薄膜、Bi_(1.7)Sb_(0.3_Ti_2O_7/BSTO复合薄膜和Bi_(1-x)Nd_xFeO_3、BiFe_(1-y)Co_yO_3、Bi_(0.85)Nd_(0.15)Fe_(0.85)Co_(0.15_O_3(BNFCO)多铁性薄膜,并对他们的结构和性能进行了详细的研究。铁电薄膜因具有抗辐射的特性而在航空航天领域有重要的应用价值,但是太空环境复杂,各种射线不可避免地对铁电器件造成影响。为了研究辐射对铁电薄膜的影响,我们以BLTO铁电薄膜为研究对象对其进行不同剂量的γ-射线辐照。对辐照前后薄膜的微结构和铁电等性能进行对比研究,结果表明辐照后的薄膜表面致密性、均匀性都有所下降,晶形变得不规整,晶粒变小;薄膜铁电性降低,剩余极化2Pr和矫顽场强2Ec均随着辐射剂量的增加而减小,在测试电场为600kV/cm时,2Pr从51.1μC/cm~2下降到43.5μC/cm~2、37.4μC/cm~2、23.7μC/cm~2,2Ec也分别从178.3 kV/cm下降到165.1 kV/cm、163.5 kV/cm、149.2 kV/cm;薄膜的C-V曲线存在明显的不对称,且随着辐射剂量的增加不对称率有所增大;同辐照前相对比,辐照后的薄膜漏电现象得到明显缓解,最低漏电流密度降到1.7×10-7A/cm~2;疲劳测试表明,经历了γ-射线辐照的BLTO薄膜都显示出了良好的抗疲劳性,在经历1010次开关极化循环后,薄膜的剩余极化几乎没有下降。制备和研究了Sb~(3+)掺杂的Bi_(1-x)Sb_xTi_3O_(12)铁电薄膜。对Bi_(1-x) Sb_xTi_3O_(12)和未掺杂的BTO铁电薄膜对比研究。Sb~(3+)的掺杂很好地改善了BTO铁电薄膜的性能,当Sb~(3+)含量为0.04时,薄膜Bi_(3.96)Sb_(0.04)Ti_3O_(12)(BSTO)在测试电压场为875kV/cm时,剩余极化高达87.6μC/cm~2;经历1010次开关极化循环后,该薄膜显示了无疲劳性;漏电流密度低至8.1×10-8A/cm~2。掺杂后的Bi_2Ti_2O_7具有相稳定,漏电流密度低和介电常数高等优良特性,是作为缓冲层的理想材料。本文制备了不同Sb~(3+)含量掺杂的Bi_(2-x) Sb_xTi_2O_7薄膜,并对薄膜进行C-V曲线和漏电流性能测试,当Sb3+含量x=0.3时,Bi_(1.7)Sb_(0.3)Ti_2O_7薄膜的最大电容值为3.8×10-9F;漏电流低至1.1×10-10A/cm~2。以此薄膜作为缓冲层,制成Bi_(1.7)Sb_(0.3)Ti_2O_7/BSTO复合薄膜。对其进行了铁电性,抗疲劳性及漏电流特性表征。结果表明添加了缓冲层的BSTO薄膜的电滞回线饱和性和矩形都得到改善,说明薄膜的铁电性能有明显的提高,在2Pr没有改变的情况下2Ec大幅度下降;漏电流密度同BSTO薄膜的漏电流密度8.1×10-8 A/cm~2相比大约下降了两个数量级;C-V曲线也发生了明显的改观。以BFO为基础,分别对其进行了A位Nd~(3+)掺杂,B位Co~(2+)掺杂和A、B位Nd~(3+)、Co~(2+)共掺杂,制得Bi_(1-x)Nd_xFeO_3、BiFe_(1-y)CoyO_3、BNFCO系列薄膜,其中x、y值分别为0.05、0.10、0.15和0.20。对所制备的铁电薄膜分别进行XRD、铁电性能和漏电流性能测试。无论对A位或B位掺杂都没改变BFO的晶体结构;对A进行Nd~(3+)掺杂时,在一定的掺杂范围内,铁电薄膜Bi_(1-x) Nd_xFeO_3的剩余极化2Pr随着Nd~(3+)含量的增加从7.2增长到14.0、26.2和19.1μc/cm~2,当Nd~(3+)含量为0.15时,2Pr值达到最大值26.2μc/cm~2;对B位进行Co2+掺杂时,对应于不同的Co2+含量,剩余极化2Pr分别为9.1、19.1、33.6和22.1μc/cm~2,当Co2+含量达到0.15时,2Pr值达到最大值33.6μc/cm~2;对A、B位进行Nd~(3+)、Co2+共掺杂,薄膜BNFCO的剩余极化2Pr达到了49.7μc/cm~2;无论是哪种方式掺杂,掺杂后的薄膜的漏电流密度同BFO相比,均明显下降。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM221;TB383.2

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本文编号：2367271