BNT与BFO及其复合薄膜的制备与铁电性能研究
发布时间：2020-06-07 20:23
【摘要】：铁电存储器(FeRAM)作为新一代的非挥发性存储器,跟其他的传统存储器相比具有很大的优势和十分广阔的应用前景,铁电薄膜是铁电存储器最核心的部分之一,制备高性能的铁电薄膜是铁电存储器能够得到广泛应用的基础。本文在Pt(111)/Ti/SiO_2/Si(100)基底上利用化学溶液沉积法(CSD)成功制备出了BNT (Bi_(3.15)Nd_(0.85)Ti_3O_(12))薄膜,BFO (BiFeO_3)薄膜以及二者的复合薄膜,通过变换不同的制备工艺和条件来研究退火温度、掺杂、退火气氛、升温速率和界面条件等对薄膜性能的影响。 通过对所制得的BNT薄膜进行结构分析和电学性能测试发现,BNT薄膜表面致密平整,结晶良好,厚度约为360 nm;其最佳的退火温度为750 oC;升温速率会对薄膜的生长方向和薄膜质量造成显著的影响;受薄膜界面效应的影响,薄膜的铁电性能与薄膜的厚度和后退火处理密切相关。 采用CSD方法制备的BFO薄膜表面致密平整,结晶良好,结果发现通过掺杂能够在一定程度上减小薄膜的漏电流并改善薄膜的铁电性,A位掺La的效果要好过A,B位同时掺La和Mn。通过在不同的气氛下退火发现,在氧气气氛下退火的薄膜比在空气气氛下退火的薄膜的漏电流更小,铁电性能更好。 采用CSD方法成功的在Pt(111)/Ti/SiO2/Si(100)基底上制备出了Bi_(3.15)Nd_(0.85)Ti_3O_(12)/Bi_(0.9)La_(0.1)Fe_(0.95)Mn_(0.05)O_3复合薄膜,发现通过制备BNT与BLFMO厚度比例合适的复合薄膜可以让整个薄膜的漏电流得到有效的降低,进而充分的发挥出BNT薄膜和BFO薄膜的各自优势,因此能极大的提升薄膜的铁电性能。当制备的复合薄膜中BNT薄膜的厚度与BLFMO的厚度比约为5:3,整个儿薄膜的厚度约为350 nm的时候,其漏电流密度下降到约为10~(-3) A/cm~2,整个复合薄膜可以测得近似饱和的电滞回线,饱和时其2Pr值可以达到80.9μC/cm~2。
【图文】：
自发极化(Ps)。如图1.1所示。图1.1 铁电体电滞回线示意图1.1.1 铁电材料的发展历史和研究现状对铁电材料的研究大致从上个世纪二十年代开始，以罗息盐的发现为标志，，现在已经有了几十年的研究历史，大致可以分为四个阶段。从最初的罗息盐的发现到铁电唯象理论的建立，再到铁电软模理论的提出与完善，直到如今铁电液晶与铁电材料的理论研究已经日趋成熟。目前铁电材料的研究主要集中在复合铁电材料、薄膜材料以及异质结构等非均匀系统方面[1-7]。目前国际上关于铁电材料的专业学术期刊种类繁多，其中影响力比较大的主要有 Integrated Ferroelectrics, Ferroelectrics 以及Ferroelectrics Letters 等等，每年这方面的论文的数量都非常的庞大并且呈指数上升的趋势，这反映出目前对铁电材料的研究是材料科学的一个研究重点和热点。1.1.2 铁电材料的分类铁电材料的自发极化是由于铁电晶胞中离子的非中心对称排列造成的。在晶体内部由于存在着不对称的正负电荷从而形成了电偶极距，这些电偶极距沿着某一方向排
8, 9]。只有这些点群的晶体才有可能具有自发极化，因此所有的铁电材料都属于这十个点群之中。铁电材料与各种电介质材料之间的关系如图1.2所示[1, 10,11]。图1.2 铁电材料与各种电介质材料的关系示意图铁电体的分类方法很多，按所含的基本单元可以分为：(a) 含氢键的铁电体、(b)含氧八面体的铁电体、(c) 含其它离子基团的铁电体、(d) 铁电聚合物与铁电液晶[1]。按晶体空间的排列方式，铁电体还可以从结构上分为：(1) 焦绿石结构、(2) 钙钛矿结构、(3) 钨青铜结构、(4) 铋层状钙钛矿结构[12]。其中钙钛矿型铁电体(通式 ABO3)是含氧八面体中最多的，结构示意图如图 1.3 所示。这种结构的铁电体(以锆钛酸铅为代表)因在铁电存储器方面表现出的优异性能受到了研究者的广泛关注[1, 8, 10, 11]。而铋层状钙钛矿结构(通式为(Bi2O2)2+(An-1BnO3n+1)2-)的铁电体由于具有大的自发极化和好的保持性和抗疲劳性能，并且不含铅，对环境和人体无害，正成为可以取代含铅基的铁电材料，作为铁电存储器的最佳备用材料。其结构示意图如图 1.4 所示[1, 8, 10,11]。本文也将从这两种被广泛关注的结构中选取一种材料进行研究。1.2 铁电薄膜具有铁电性并且厚度尺寸从数十纳米到微米级的铁电薄膜材料称为铁电薄膜。跟块状铁电材料相比，薄膜具有容易集成、工作电压低、制备工艺与集成电路工艺易兼容等优点。因为它具有很好的压电性、热释电性、铁电性、以及非线性光学等特性，被广泛的应用于微电子学和光电子学以及微电子机械系统等领域
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TN384;TP333;O484.1
本文编号：2701950
【图文】：
自发极化(Ps)。如图1.1所示。图1.1 铁电体电滞回线示意图1.1.1 铁电材料的发展历史和研究现状对铁电材料的研究大致从上个世纪二十年代开始，以罗息盐的发现为标志，，现在已经有了几十年的研究历史，大致可以分为四个阶段。从最初的罗息盐的发现到铁电唯象理论的建立，再到铁电软模理论的提出与完善，直到如今铁电液晶与铁电材料的理论研究已经日趋成熟。目前铁电材料的研究主要集中在复合铁电材料、薄膜材料以及异质结构等非均匀系统方面[1-7]。目前国际上关于铁电材料的专业学术期刊种类繁多，其中影响力比较大的主要有 Integrated Ferroelectrics, Ferroelectrics 以及Ferroelectrics Letters 等等，每年这方面的论文的数量都非常的庞大并且呈指数上升的趋势，这反映出目前对铁电材料的研究是材料科学的一个研究重点和热点。1.1.2 铁电材料的分类铁电材料的自发极化是由于铁电晶胞中离子的非中心对称排列造成的。在晶体内部由于存在着不对称的正负电荷从而形成了电偶极距，这些电偶极距沿着某一方向排
8, 9]。只有这些点群的晶体才有可能具有自发极化，因此所有的铁电材料都属于这十个点群之中。铁电材料与各种电介质材料之间的关系如图1.2所示[1, 10,11]。图1.2 铁电材料与各种电介质材料的关系示意图铁电体的分类方法很多，按所含的基本单元可以分为：(a) 含氢键的铁电体、(b)含氧八面体的铁电体、(c) 含其它离子基团的铁电体、(d) 铁电聚合物与铁电液晶[1]。按晶体空间的排列方式，铁电体还可以从结构上分为：(1) 焦绿石结构、(2) 钙钛矿结构、(3) 钨青铜结构、(4) 铋层状钙钛矿结构[12]。其中钙钛矿型铁电体(通式 ABO3)是含氧八面体中最多的，结构示意图如图 1.3 所示。这种结构的铁电体(以锆钛酸铅为代表)因在铁电存储器方面表现出的优异性能受到了研究者的广泛关注[1, 8, 10, 11]。而铋层状钙钛矿结构(通式为(Bi2O2)2+(An-1BnO3n+1)2-)的铁电体由于具有大的自发极化和好的保持性和抗疲劳性能，并且不含铅，对环境和人体无害，正成为可以取代含铅基的铁电材料，作为铁电存储器的最佳备用材料。其结构示意图如图 1.4 所示[1, 8, 10,11]。本文也将从这两种被广泛关注的结构中选取一种材料进行研究。1.2 铁电薄膜具有铁电性并且厚度尺寸从数十纳米到微米级的铁电薄膜材料称为铁电薄膜。跟块状铁电材料相比，薄膜具有容易集成、工作电压低、制备工艺与集成电路工艺易兼容等优点。因为它具有很好的压电性、热释电性、铁电性、以及非线性光学等特性，被广泛的应用于微电子学和光电子学以及微电子机械系统等领域
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TN384;TP333;O484.1
【参考文献】
相关期刊论文 前4条
1 张云峰;王华;任明放;;退火工艺对La-Nb共掺杂Bi_4Ti_3O_(12)薄膜结构的影响[J];电子元件与材料;2008年06期
2 周圆苑;李海敏;田云飞;肖定全;朱建国;;升温速率对Bi_(0.98)La_(0.02)FeO_3-PbTiO_3薄膜结构性能的影响[J];电子元件与材料;2010年04期
3 张琼;苗鸿雁;谈国强;;BiFeO_3薄膜研究进展[J];硅酸盐通报;2007年01期
4 刘红日;;BiFeO_3薄膜的溶胶-凝胶制备及其铁电和介电性质[J];武汉理工大学学报;2007年07期
相关硕士学位论文 前1条
1 张军;铁电薄膜界面效应与尺寸效应的研究[D];湘潭大学;2010年
本文编号：2701950
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