鈦酸鍶鋇基上生長鐵性薄膜的多鐵性及漏電流研究.pdf

1、鈦酸鍶鋇(BaxSr1-x)TiO3是一種典型的ABO3型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵電材料，其薄膜具有較低的漏電流和高介電常數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。(BaxSr1-x)TiO3薄膜能與其它鐵電薄膜或ABO3型多鐵薄膜很好的復(fù)合，具有比單層薄膜強(qiáng)的介電性能，能改善復(fù)合薄膜的漏電流。鋯鈦酸鋇(Ba(ZryTi1-y)O3)薄膜具有很高的介電常數(shù)。鐵酸鉍(BiFeO3)是一種應(yīng)用前景非常光明的ABO3型鈣鈦礦多鐵氧化物，釹摻雜鐵酸鉍(BixNd1-x)FeO3(BNF

2、)優(yōu)化了鐵酸鉍(BiFeO3)的鐵磁性能。本文用射頻磁控濺射法制備了弱鐵電性的(Ba0.65Sr0.35)TiO3(BST)與Ba(Zr0.20Ti0.80)TiO3(BZT)以及(Ba0.65Sr0.35)TiO3(BST)與(Bi0.875Nd0.125)FeO3(BNF)的復(fù)合多層薄膜，并對復(fù)合多層薄膜的相結(jié)構(gòu)，表面和斷面形貌，鐵電鐵磁性能，介電性能和漏電流機(jī)制作了研究。
　　 在襯底Pt/Ti/SiO2/Si(100)上

3、生長量BST，BZT和BST與BZT的復(fù)合三明治結(jié)層狀薄膜BST/BZT/BST。XRD表明，在襯底Pt/Ti/SiO2/Si(100)上生長的復(fù)合薄膜是標(biāo)準(zhǔn)的四方鈣鈦礦相。復(fù)合薄膜的介電性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果顯示復(fù)合薄膜的介電常數(shù)等價(jià)于多個(gè)單層薄膜電容器的串聯(lián)結(jié)果，相對于單層BST和BZT薄膜來說，三明治結(jié)構(gòu)BST/BZT/BST薄膜具有更低的介電損耗。鐵電電滯回線顯示BST/BZT/BST薄膜的剩余極化比BZT單層薄膜的剩余極化稍有增強(qiáng)。對同

4、樣條件在襯底Si(100)上生長的多層復(fù)合薄膜的光學(xué)性能研究表明，在Si襯底上生長的復(fù)合薄膜，光學(xué)特性比文獻(xiàn)報(bào)道的單層BST或者BZT薄膜，有更高的折射率和更低的消光系數(shù)。
　　 在Pt/Ti/SiO2/Si(100)襯底上，用射頻磁控濺射法沉積了BST，BNF，BNF/BST單層薄膜和BST/BNF/BST多層薄膜。XRD衍射結(jié)果顯示單層BNF在氧氣中650℃退火時(shí)結(jié)晶不夠完全，顯示為中間相，其它所有的薄膜都成四方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。

5、FESEM結(jié)果顯示多層薄膜致密，表面平整光滑。底部緩沖層(buffer layer)BST薄膜對BNF的結(jié)晶有促進(jìn)作用且能夠降低BNF的晶化溫度，BST層和BNF層界面上的相互反應(yīng)，讓BNF鐵電性質(zhì)的矯頑場降低，且增大薄膜的剩余極化值和降低了飽和極化強(qiáng)度，BNF/BST和BST/BNF/BST的剩余極化強(qiáng)度和矯頑場分別為2.668μC/cm2和9.137kV/cm，以及5.13μC/cm2 and16.53kV/cm。BST/BNF/B

6、ST和BNF/BST薄膜的飽和磁化強(qiáng)度和矯頑磁場分別為7.89 emu/cm3和351.33Oe，已及9.84 emu/cm3和316.78Oe。BST/BNF/BST三明治結(jié)構(gòu)的多層薄膜的鐵磁飽和磁化強(qiáng)度比BNF/BST異質(zhì)結(jié)雙層薄膜要大，BNF單層薄膜的最小，說明BST薄膜層能增強(qiáng)鐵磁性能。在BNF/BST薄膜異質(zhì)結(jié)和BST/BNF/BST多層薄膜中都出現(xiàn)了介電增強(qiáng)效應(yīng)，原因是BST與BNF界面上的晶格失配引起的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)而引起介電

7、增強(qiáng)。通過對多層薄膜BNF/BST和BST/BNF/BST的介電損耗研究發(fā)現(xiàn)多層薄膜的損耗比單層BNF薄膜的損耗低很多，在室溫下與100kHz時(shí)分別達(dá)0.012和0.0035。為了進(jìn)一步研究介電損耗的起因我們對薄膜的漏電流機(jī)制進(jìn)行了探討。
　　 我們對多層薄膜的漏電流研究發(fā)現(xiàn)BST緩沖層能很好的降低BNF薄膜的漏電流密度，BNF/BST異質(zhì)結(jié)薄膜的漏電流密度在300kV/cm電場下數(shù)量極為7×10-8A/cm2，比通過摻雜改性的

8、鐵酸鉍的漏電流密度低近4個(gè)數(shù)量級，這是因?yàn)橐环矫鍮ST能阻止BNF中的自由電荷在BNF薄膜與下電極之間的自由移動(dòng)，另一方面，BST促進(jìn)了BNF的結(jié)晶，使BNF中的自由載流子數(shù)量降低。BST/BNF/BST三明治結(jié)構(gòu)的多層薄膜的漏電流為8×10-8A/cm2比BNF/BST還低近一個(gè)數(shù)量級，進(jìn)一步證明了BST薄膜層能阻止BNF中的自由載流子在電極與BNF薄膜之間移動(dòng)。而頂層BST薄膜在工藝過程中抑制Bi元素的揮發(fā)起了決定性作用，進(jìn)一步降低