施主-受主复合掺杂TiO 2 的第一性原理分析及薄膜的电学性能研究
发布时间：2021-04-19 05:57
金红石型TiO2是一种典型的二元氧化物结构电介质材料,温度降低至0K仍不发生铁电相变。锐钛矿型TiO2是一种晶格畸变较大的材料,且在较低温度下容易制得。通过掺杂构造多种晶型的TiO2的铁电性,通过改变其晶体结构,从而获得良好的电学性能。有研究表明通过应力、掺杂等方式能调控TiO2的微观组织结构进而调控其电性能。本文通过第一性原理计算施主-受主掺杂TiO2的结构与电性能,指导后期实验。通过探究薄膜制备工艺得到合适掺杂的薄膜基体,改变薄膜中掺杂元素的用量,从而调控薄膜的电性能。通过对金红石型TiO2进行第一性原理计算,研究了不同掺杂离子对TiO2结构与电性能的影响。结果表明,通过V5+-Al3+、Nb5+-Al3+和Ta5+-Al3+掺杂后,超晶胞中产生晶格畸变,V5+-Al3+离子掺杂时,引入的电偶极矩最大,为1.4386×10-15D。通过Ta5+-Al3+、Ta5+-Ga3+和Ta5+-In3+掺杂后,Ta5+-Al3+共掺杂时,超晶胞能量最低,Ta5+-In3+掺杂时,掺杂引入的电偶极矩最大,为1.3511×10-15D。在掺杂离子半径相似时,掺杂引入的电偶极矩最大,此时掺杂离子与...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
TiO2的三种晶体结构图
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-回线，且当Bi掺杂量超过一定值时，电滞回线变窄。图1-2Sr1-1.5xBixTiO3在50Hz、11K时的电滞回线[22](a)x=0.0033；(b)x=0.0067；(c)x=0.0133；(d)x=0.0533T.Mitsui等人通过Ca掺杂在SrTiO3中得到了低温铁电性[18]。Lee等通过调控单胞个数获得了具有铁电性的SrTiO3薄膜，当单胞数量为24个时，薄膜的电滞回线具有典型的铁电线形[23,24]。ManwenYao等制备了Bi掺杂非晶SrTiO3薄膜，并研究了其漏电流和击穿行为[25]。Bi掺杂能有效地影响漏电流和击穿强度，在Bi掺杂浓度为5%时，样品的击穿强度高达412MV/m，约是SrTiO3样品(215MV/m)的2倍。如图1-3所示，在真空条件下，试样表面仅观察到少量的击穿点，而在空气条件下试样的表面形貌损伤明显且范围更广，电极表面的击穿点较密集。这些现象表明，在空气环境下，空气中存在的水分子降解了电极与电介质之间的粘附，导致金电极大面积脱落，并在较低的电场下发生击穿[26]。结果表明，水分对击穿强度有负面影响，存在水分使得击穿强度变弱。在真空中，由于不存在水分子，不会对试样造成额外的损伤，击穿强度有着明显的提高。从图1-3(a)可以看出，在空气中进行测试时，随着Bi浓度的增加，击穿点的直径从40μm减小到10μm。从图1-3(b)可以看出，在真空中进行测试时，低掺杂浓度样品的击穿点数量大于高掺杂浓度样品的击穿点数量。高浓度掺杂样品的击穿强度较弱的原因是双离子掺杂有效地抑制了氧空位的形成，使得击穿强度较弱，提高了材料的击穿性能。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-图1-3金电极击穿后表面的金相图像[25](a)在空气中测试(b)在真空中测试MahmoudS等通过Bi、Li共掺杂制备得到了SrTiO3陶瓷材料[27]。经测试得到材料的电滞回线如图1-4(a)所示，在室温下测试得到的SrTiO3陶瓷的电滞回线均为线性，不存在明显的铁电线型，掺杂陶瓷材料不具有铁电性。但随着掺杂浓度的不断提高，晶粒尺寸逐渐减校如图1-4(b)所示，当掺杂浓度为8%时，材料的储能性能有着明显的提高，储能密度提高了10倍。图1-4Sr1-x(Bi,Li)xTiO3陶瓷材料[27](a)在室温下的电滞回线回线；(b)能量密度和击穿强度与Bi掺杂含量的关系1.2.2二元氧化物先兆性铁电体与ABO3型先兆性铁电体相似，通过施加应力及掺杂等方式，在HfO2和TiO2中能获得铁电性。HfO2是一种先兆性铁电体，其铁电性在2011年被发现[28-30]。在HfO2中掺杂少量的Al使其得到稳定，晶胞具有非中心对称结构使得铁电性得以产生[31]。在Al掺杂浓度达到一定值时，如图1-5所示，HfO2由反铁电相转变为铁电相。
本文编号：3146974
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
TiO2的三种晶体结构图
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-回线，且当Bi掺杂量超过一定值时，电滞回线变窄。图1-2Sr1-1.5xBixTiO3在50Hz、11K时的电滞回线[22](a)x=0.0033；(b)x=0.0067；(c)x=0.0133；(d)x=0.0533T.Mitsui等人通过Ca掺杂在SrTiO3中得到了低温铁电性[18]。Lee等通过调控单胞个数获得了具有铁电性的SrTiO3薄膜，当单胞数量为24个时，薄膜的电滞回线具有典型的铁电线形[23,24]。ManwenYao等制备了Bi掺杂非晶SrTiO3薄膜，并研究了其漏电流和击穿行为[25]。Bi掺杂能有效地影响漏电流和击穿强度，在Bi掺杂浓度为5%时，样品的击穿强度高达412MV/m，约是SrTiO3样品(215MV/m)的2倍。如图1-3所示，在真空条件下，试样表面仅观察到少量的击穿点，而在空气条件下试样的表面形貌损伤明显且范围更广，电极表面的击穿点较密集。这些现象表明，在空气环境下，空气中存在的水分子降解了电极与电介质之间的粘附，导致金电极大面积脱落，并在较低的电场下发生击穿[26]。结果表明，水分对击穿强度有负面影响，存在水分使得击穿强度变弱。在真空中，由于不存在水分子，不会对试样造成额外的损伤，击穿强度有着明显的提高。从图1-3(a)可以看出，在空气中进行测试时，随着Bi浓度的增加，击穿点的直径从40μm减小到10μm。从图1-3(b)可以看出，在真空中进行测试时，低掺杂浓度样品的击穿点数量大于高掺杂浓度样品的击穿点数量。高浓度掺杂样品的击穿强度较弱的原因是双离子掺杂有效地抑制了氧空位的形成，使得击穿强度较弱，提高了材料的击穿性能。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-图1-3金电极击穿后表面的金相图像[25](a)在空气中测试(b)在真空中测试MahmoudS等通过Bi、Li共掺杂制备得到了SrTiO3陶瓷材料[27]。经测试得到材料的电滞回线如图1-4(a)所示，在室温下测试得到的SrTiO3陶瓷的电滞回线均为线性，不存在明显的铁电线型，掺杂陶瓷材料不具有铁电性。但随着掺杂浓度的不断提高，晶粒尺寸逐渐减校如图1-4(b)所示，当掺杂浓度为8%时，材料的储能性能有着明显的提高，储能密度提高了10倍。图1-4Sr1-x(Bi,Li)xTiO3陶瓷材料[27](a)在室温下的电滞回线回线；(b)能量密度和击穿强度与Bi掺杂含量的关系1.2.2二元氧化物先兆性铁电体与ABO3型先兆性铁电体相似，通过施加应力及掺杂等方式，在HfO2和TiO2中能获得铁电性。HfO2是一种先兆性铁电体，其铁电性在2011年被发现[28-30]。在HfO2中掺杂少量的Al使其得到稳定，晶胞具有非中心对称结构使得铁电性得以产生[31]。在Al掺杂浓度达到一定值时，如图1-5所示，HfO2由反铁电相转变为铁电相。
本文编号：3146974
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