NKBT-BHFCO铁电薄膜的制备及性能研究

发布时间：2017-08-07 18:05

  本文关键词：NKBT-BHFCO铁电薄膜的制备及性能研究

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【摘要】：采用溶胶-凝胶法在Pt(111)/Ti/SiO_2/Si衬底上制备了四种体系的铁电薄膜。首先制备了Ho和Cr共掺的Bi_(1-x)Ho_xFe_(0.97)Cr_(0.03)O_3(BH_xFCO)铁电薄膜,并探究共掺后薄膜的电学性能;其次制备了Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3(NBT)和(Na0.82K0.18)_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3(NKBT)薄膜,验证了三方-四方的准同型相对铁电薄膜性能的影响;最后以NKBT为基体,掺入BHFCO,二者固溶形成(1-x)NKBT-x BHFCO薄膜,并研究了不同的BHFCO含量对薄膜性能的影响。主要的研究工作与结论如下:首先,550℃下退火,分别制备BiFeO_3(BFO)、BH_xFCO薄膜(x=0,0.05,0.10,0.15,0.20),探究了Ho、Cr共掺对薄膜的微观结构和电学性能的影响,得出了最佳Ho掺杂比例:x=0.15。BH_(0.15)FCO薄膜的电滞回线具有较好的矩形度、较高的介电常数(ε_r=270)和较小的介电损耗(tanδ=0.05),而且其漏电流密度比BiFeO_3薄膜的漏电流密度降低了约3个数量级。其次,680℃下退火,制备了NBT、NKBT薄膜,并表征了薄膜的微观结构及电学性能。实验结果表明:NKBT薄膜的剩余极化强度较大(2P_r≈25μC/cm~2)、矫顽场较小(2Ec≈9.29 kV/cm)。NKBT的漏电流比NBT的漏电流要小1个数量级,K掺杂有效的改善了NBT的漏电特性。NKBT薄膜的介电性能改善尤为明显:首先是其C-V曲线具有明显的蝴蝶形回线;其次,NKBT薄膜的ε_r大幅度增大(约为570),介电损耗较小(约为0.06)。最后,680℃下退火,制备了(1-x)NKBT-x BHFCO(x=0.01,0.03,0.05,0.07)薄膜,研究了不同BHFCO的含量对二元固溶薄膜性能的影响,并探究最优的掺杂比例。结果表明:将BHFCO掺入NKBT后形成的二元固溶体,并没有改变NKBT的晶体结构;随着BHFCO掺杂量的增加,薄膜的剩余极化值2P_r略有增大,当x大于0.05时,2P_r反而随BHFCO含量的增大而减小;但薄膜的电滞回线在x=0.05处,有最好的饱和矩形度,此时2P_r为71.3μC/cm~2。薄膜的矫顽场在x=0.05达到最小(2Ec=530 kV/cm)。薄膜的漏电流比纯的BHFCO和NKBT薄膜的漏电流要小一到两个数量级。其中,测试电场为300 kV/cm,BH_(0.15)FCO的掺杂量为5%时,薄膜的漏电流最小(约为2.1×10~(-6) A/cm~2),ε_r最大(约为493)。固溶薄膜的介电损耗(tanδ)是随着频率的增加呈现先减小后增大的趋势,当x=0.05时,薄膜的tanδ最小(约为0.04)。此外,测试了薄膜的介电温谱,发现固溶薄膜的居里温度(Tc)在450±10℃。分析了不同膜厚下,挠曲电效应对铁电薄膜的介电性能的影响,结果表明,挠曲电效应在铁电薄膜的最大介电常数减少方面发挥了重要的作用。
【关键词】：溶胶-凝胶法 BFO薄膜 NBT薄膜 共掺杂
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-25
• 1.1 铁电材料10-13
• 1.1.1 铁电材料的发展史和研究现状10-12
• 1.1.2 铁电材料的种类12-13
• 1.2 铁电薄膜13-14
• 1.2.1 铁电薄膜的发展历史13
• 1.2.2 铁电薄膜性能及应用13-14
• 1.3 多铁性BiFeO_3薄膜14-19
• 1.3.1 BiFeO_3薄膜的概述15
• 1.3.2 BiFeO_3薄膜的性质15-17
• 1.3.3 BiFeO_3薄膜的掺杂改性17-19
• 1.4 Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3薄膜的研究现状19-21
• 1.4.1 Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3薄膜的概述19-20
• 1.4.2 Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3薄膜的性质及应用20
• 1.4.3 Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3薄膜的掺杂改性20-21
• 1.5 挠曲电效应对铁电薄膜介电性能的影响21-22
• 1.6 本文选题依据和主要内容22-25
• 1.6.1 选题依据22-23
• 1.6.2 研究思路和主要内容23-25
• 第2章 薄膜的制备技术及分析测试方法25-32
• 2.1 铁电薄膜的制备技术25-28
• 2.1.1 磁控溅射法25-26
• 2.1.2 脉冲激光沉积法26
• 2.1.3 溶胶-凝胶法26-27
• 2.1.4 金属有机物化学气相沉积法27-28
• 2.2 铁电薄膜的分析测试方法28-31
• 2.2.1 薄膜微观结构的表征28-29
• 2.2.2 薄膜电学性能的测试29-31
• 2.3 本章小结31-32
• 第3章 BH_xFCO多铁薄膜的制备及表征32-41
• 3.1 引言32-33
• 3.2 Sol-Gel法制备BHFCO铁电薄膜33-35
• 3.2.1 实验所用原材料33
• 3.2.2 前驱体溶液的配制33-34
• 3.2.3 衬底的选择与处理34
• 3.2.4 薄膜制备流程34-35
• 3.3 BH_xFCO铁电薄膜的表征35-40
• 3.3.1 BH_xFCO铁电薄膜的XRD分析35-36
• 3.3.2 BH_xFCO铁电薄膜的SEM分析36-37
• 3.3.3 BH_xFCO铁电薄膜的铁电性能测试37-40
• 3.4 本章小结40-41
• 第4章 NKBT铁电薄膜的制备及表征41-47
• 4.1 引言41
• 4.2 Sol-Gel法制备NBT、NKBT薄膜41-42
• 4.2.1 前驱体溶液的配制41-42
• 4.2.2 薄膜的制备42
• 4.3 NBT、NKBT薄膜的性能表征42-46
• 4.3.1 NBT、NKBT薄膜的XRD分析43
• 4.3.2 NBT、NKBT薄膜的SEM分析43-44
• 4.3.3 NBT、NKBT铁电薄膜的电学性能测试44-46
• 4.4 本章小结46-47
• 第5章 (1-x)NKBT-x BHFCO铁电薄膜的制备及表征47-58
• 5.1 引言47
• 5.2 探究BFO与NBT、KBT的兼容性47-49
• 5.3 Sol-Gel法制备(1-x)NKBT-x BHFCO薄膜49-50
• 5.4 (1-x)NKBT-x BHFCO薄膜的表征50-56
• 5.4.1 (1-x)NKBT-x BHFCO薄膜的XRD分析50
• 5.4.2 (1-x)NKBT-x BHFCO薄膜的SEM分析50-51
• 5.4.3 (1-x)NKBT-x BHFCO薄膜的铁电性能51-52
• 5.4.4 (1-x)NKBT-x BHFCO薄膜的漏电比较52-53
• 5.4.5 (1-x)NKBT-x BHFCO薄膜的介电性能53-56
• 5.5 本章小结56-58
• 第6章 结论与展望58-60
• 6.1 结论58-59
• 6.2 展望59-60
• 参考文献60-66
• 致谢66-67
• 附录A:个人简历67-68
• 附录B:攻读硕士学位期间发表论文与参加的会议目录68

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本文编号：635969