钛酸钡铁电薄膜异质结构电光特性研究
发布时间：2020-08-11 23:21
【摘要】：近年来随着科学技术的迅猛发展,对具有特殊性能的材料的需求日益增加,并对其性能提出了更高的要求,研究者们也不断的努力研究,以期得到拥有更好的性能的材料。首个被人们所发现的具有氧八面体结构的钙钛矿型铁电材料——钛酸钡,由于它不仅拥有简单的结构,而且还拥有着铁电薄膜材料的铁电、介电、压电、热释电、电光和非线性光学等效应;它是重要的功能性薄膜材料之一,因此是现在科研人员研究的一个热门薄膜材料。研究者们使用各种不同方法,以期提高它的某一方面性能,然后应用于器件,制备出具有更强性能的薄膜器件。本论文使用成本低,工艺参数易控制的溶胶-凝胶法制备钛酸钡薄膜,通过对薄膜工艺参数及边界条件的控制,达到能够精准调控钛酸钡薄膜的微观结构;在不同透明基底上制备钛酸钡薄膜,测出其透过率,计算出它的光学带隙;使用优化后的工艺参数制备两种异质结构的钛酸钡铁电薄膜平板电容器,通过对薄膜晶体结构、微观形貌的表征和电学性能的测试,研究分析其构效关系。本文主要研究内容如下:(1)研究溶胶配置过程中加入去离子水比例和溶胶浓度对所制备钛酸钡薄膜的表面形貌和结晶度的影响,得出最佳的加水比例和溶胶浓度分别为1:15和0.5 mol/L,进行后续实验。(2)研究后期退火时间、退火方式、退火温度、和厚度对薄膜结晶度、表面形貌和电学性能的影响,得出最佳的后期退火工艺参数:在管式炉中进行逐层100℃干燥5 min,350℃热解5 min,700℃退火10 min,总共旋涂8层。(3)硅基片上LNO氧化物的化学溶液旋涂法制备,研究旋涂前化学溶液的配置工艺,溶胶浓度和薄膜厚度对薄膜晶体结构和表面形貌的影响。结果表明使用浓度为0.3 mol/L的LNO溶胶,在管式炉中进行逐层200℃干燥5 min,400℃热解5 min,700℃退火10 min,总共旋涂6层,制备出质量高的LNO氧化物薄膜,用于制备BTO/LNO异质结构铁电薄膜电容器器件。(4)制备了两种不同底电极异质结构的BTO薄膜电容器结构,分别为Au/BTO/LNO/Si和Au/BTO/Pt/Si;研究了Au/BTO/LNO/Si结构中,BTO薄膜在真空中退火和空中退火下晶体结构、微观形貌和电学性能,经过测试空气中退火的BTO具有更好的微观形貌和电学性能。Au/BTO/LNO/Si和Au/BTO/Pt/Si两种异质结构都制备了550、600、700、800、900和1000℃温度退火的BTO。发现两种结构都是在800℃下铁电性能和介电性能为最佳;Au/BTO/LNO/Si结构上的铁电性能略好于后者,Au/BTO/Pt/Si结构上具有更好的介电性能和铁电耐压性,更强的介电和铁电温度稳定性。(5)在透明基片上制备了晶态和非晶态的BTO薄膜,使用分光光度计测量了不同溶胶浓度制备的JGS1基晶态BTO薄膜的透过率,计算其光学带隙。发现晶态BTO薄膜的光学带隙随着溶胶浓度的增加而减小。而在JGS1上制备的非晶态的BTO薄膜的透过率要高于晶态薄膜的透过率,且光学带隙要大。测量了载玻片上不同厚度非晶态BTO薄膜的透过率,计算其光学带隙发现非晶态BTO薄膜的光学带隙随着厚度的增加而增加。
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM221
【图文】：
第一章 绪论一定温度范围内具有自发极化偶极矩，并且自发极在 32 种晶体学点群中，只存在 10 种具有特殊极性方C3），4（C4），6（C6），m（C3）,mm2（C2v），3m为极性点群（polar point group）；这些点群的晶体内极矩，并且这些电偶极矩沿着自发极化方向排列[1一个非线性关系曲线，称之为电滞回线曲线，这是就是铁电体的电滞回线。当外加电场为零时铁电体化刚好达到翻转时的电场称为矫顽场（Ec），当外大极化强度（Pmax）[1]。
B2O6[2]。典型的具有焦绿石结构的材料有焦铌酸铅（Pb2N铌酸镉（Cd2Nb2O7）等。这类薄膜具有较高的介电常数和良铁电薄膜的特征电薄膜由于其结构的特性可以掺杂改性，提高其某一性能，节中已经做了简单介绍，其化学通式为 ABO3。A 离子可能子，相应地 B 离子可能是价态为+5、+4 或者+3 的金属离分别为顺电相下的简单立方结构和铁电相下的四方、正交和为钙钛矿简单立方晶胞结构[1,7,8]，其中 A 离子、B 离子、面心和体心处[2]；（b）为氧八面体晶胞结构，O 离子位于的体心处。氧八面体晶胞共顶点连接起来，A 离子置于氧八个晶体。
钡四种晶相的晶胞（a）立方晶胞（b）四方晶胞（c）正交晶胞（的钙钛矿型结构的铁电体钛酸钡（BTO）为例，对钙钛 中的 A、B 离子分别为 Ti离子和 Ba 离子。钛酸钡的熔点 ℃之间时，钛酸钡为非铁电体的六方晶系，属于 6/mmm时，钛酸钡变为立方相，氧八面体内的空隙比 Ti 离子的体心有一个振动范围[17]；然而由于温度大于 120 ℃，温它偏离或靠近氧离子具有相同的概率，所以导致了它的能，也没有压电性能，为顺电相[2]。如图 1.3 中（a）所α=β=γ=90°，属于 m3m 点群。在温度为 120 ℃时，a=0，晶体的对称性下降，顺电相变为四方、正交和三角三种变换。当温度为 5-120 ℃时，BTO 为四方相，属于 4m,17]； 如图 1.3 中（b）所示，相当于立方晶胞的一轴拉长
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM221
【图文】：
第一章 绪论一定温度范围内具有自发极化偶极矩，并且自发极在 32 种晶体学点群中，只存在 10 种具有特殊极性方C3），4（C4），6（C6），m（C3）,mm2（C2v），3m为极性点群（polar point group）；这些点群的晶体内极矩，并且这些电偶极矩沿着自发极化方向排列[1一个非线性关系曲线，称之为电滞回线曲线，这是就是铁电体的电滞回线。当外加电场为零时铁电体化刚好达到翻转时的电场称为矫顽场（Ec），当外大极化强度（Pmax）[1]。
B2O6[2]。典型的具有焦绿石结构的材料有焦铌酸铅（Pb2N铌酸镉（Cd2Nb2O7）等。这类薄膜具有较高的介电常数和良铁电薄膜的特征电薄膜由于其结构的特性可以掺杂改性，提高其某一性能，节中已经做了简单介绍，其化学通式为 ABO3。A 离子可能子，相应地 B 离子可能是价态为+5、+4 或者+3 的金属离分别为顺电相下的简单立方结构和铁电相下的四方、正交和为钙钛矿简单立方晶胞结构[1,7,8]，其中 A 离子、B 离子、面心和体心处[2]；（b）为氧八面体晶胞结构，O 离子位于的体心处。氧八面体晶胞共顶点连接起来，A 离子置于氧八个晶体。
钡四种晶相的晶胞（a）立方晶胞（b）四方晶胞（c）正交晶胞（的钙钛矿型结构的铁电体钛酸钡（BTO）为例，对钙钛 中的 A、B 离子分别为 Ti离子和 Ba 离子。钛酸钡的熔点 ℃之间时，钛酸钡为非铁电体的六方晶系，属于 6/mmm时，钛酸钡变为立方相，氧八面体内的空隙比 Ti 离子的体心有一个振动范围[17]；然而由于温度大于 120 ℃，温它偏离或靠近氧离子具有相同的概率，所以导致了它的能，也没有压电性能，为顺电相[2]。如图 1.3 中（a）所α=β=γ=90°，属于 m3m 点群。在温度为 120 ℃时，a=0，晶体的对称性下降，顺电相变为四方、正交和三角三种变换。当温度为 5-120 ℃时，BTO 为四方相，属于 4m,17]； 如图 1.3 中（b）所示，相当于立方晶胞的一轴拉长
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本文编号：2789698
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