鑭系元素摻雜BiFeO3薄膜的生長模式與性能研究.pdf

1、近年來，隨著信息存儲、傳感器以及微機電系統(tǒng)發(fā)展的需求，鐵電材料日益成為產(chǎn)業(yè)界、科技界、學術(shù)界和軍事界的研究熱點。目前用于器件生產(chǎn)的鐵電材料主要是鉛系材料(PZT體系)，但是這類材料在制造和回收過程中會帶來嚴重的環(huán)境污染問題，違背了人類對環(huán)境保護的美好訴求，促使人們尋找一種新型的無鉛鐵電材料。BiFeO3(BFO)作為一種無鉛環(huán)保鐵電材料，理論剩余極化值高達100μC/cm2，具有優(yōu)異的鐵電、壓電以及鐵磁性能，非常有希望替代PZT應用于未

2、來的微電子器件。
　　然而，由于Bi3+的揮發(fā)和Fe3+的變價使BFO薄膜具有嚴重的漏電問題，這成為阻礙其應用和發(fā)展的關(guān)鍵所在。根據(jù)近幾年的報道，鑭系元素摻雜可以有效抑制BFO薄膜的漏電流并可以在一定程度上提高薄膜的絕緣性和鐵電性，成為鐵電薄膜材料研究的熱點之一。隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)摻雜會帶來晶化程度降低的負面作用，而達不到理想的效果。目前薄膜晶化程度的提高主要是通過提高退火溫度來實現(xiàn)的，但BFO薄膜器件與集成電路CMOS工藝的兼

3、容性問題要求薄膜的制備溫度越低越好。因此，如何在低溫區(qū)實現(xiàn)BFO-基薄膜晶化程度的提高顯得尤為重要。由于薄膜的晶化程度在很大程度上受制備工藝參數(shù)的影響，所以系統(tǒng)研究制備工藝參數(shù)對鑭系元素摻雜BFO薄膜的生長模式與性能的影響具有重要的理論和實際應用價值。
　　基于上述分析，本論文就鑭系元素摻雜的BFO薄膜展開了相關(guān)的研究工作，主要探討金屬有機分解法結(jié)合層層退火的制備工藝參數(shù)對薄膜生長模式和性能的影響，研究的主要內(nèi)容和結(jié)論如下:

4、>　　1、在ITO/glass襯底上，制備了預處理溫度分別為225℃、250℃、275℃、300℃、325℃和350℃的Bi0.9Nd0.1FeO3(BNFO)薄膜。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，預處理溫度對BNFO薄膜的晶化程度有顯著影響。275℃是BNFO薄膜的碳化溫度，由于碳化顆粒存在于薄膜的晶粒或晶界處，導致275℃預處理BNFO薄膜的晶化程度和鐵電性能明顯降低，該薄膜具有最低的剩余極化值和電荷保持性能，老化現(xiàn)象嚴重。225～300℃預處理BNFO

5、薄膜中均具有不同含量或不同存在形式的殘余有機物，這對薄膜的晶化和鐵電性能產(chǎn)生了一定的負面作用。
　　2、在ITO/glass襯底上，制備了一系列退火溫度分別為450℃、475℃、500℃、525℃的不同預處理(225～350℃)Bi0.9Nd0.1FeO3薄膜，并系統(tǒng)研究了預處理和退火溫度對BNFO薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果表明，275℃的碳化問題很難通過調(diào)整退火溫度來消除，不同退火溫度的275℃預處理BNFO薄膜均具有較低的晶化

6、程度和鐵電性能，應避免采用該溫度作預處理溫度;325℃預處理BNFO薄膜具有較好的晶化程度和鐵電性能，這表明325℃是本實驗最理想的預處理溫度。
　　3、在ITO/glass襯底上，通過調(diào)整勻膠機的轉(zhuǎn)速制備了單層厚度分別為45nm、40nm、34nm、29nm的不同退火溫度(475℃、500℃、525℃)Bi0.9Nd0.1FeO3薄膜，系統(tǒng)研究了層層退火工藝下，薄膜的單層厚度和退火溫度對其結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著退火溫度

7、的降低，BNFO薄膜的晶化程度對單層厚度的依賴性變強，在475℃退火條件下，薄膜的晶化程度隨單層厚度的增加而明顯降低，我們從薄膜的成核與生長機制對其作出解釋。從BNFO薄膜的電滯回線在不同電壓下的演變過程看出，不同層厚薄膜矯頑場的非對稱性隨電場的增加而減小，這主要歸因于(Fe2+Fe3+)(')-(VO2-)缺陷對的斷開;在同一測試電場下，薄膜矯頑場的非對稱性隨單層厚度的增加而降低，這是薄膜晶化程度降低、缺陷含量增加的結(jié)果。結(jié)合電滯回線