BiFeO3-基薄膜的低溫制備及漏電抑制.pdf

1、BiFeO3(BFO)是為數(shù)不多的在室溫下同時具有鐵電、壓電、鐵磁性能的多鐵性材料之一。憑借良好的電學性能和無鉛環(huán)保的優(yōu)勢，BiFeO3-基薄膜材料在未來的集成壓電系統(tǒng)中具有廣闊的應用前景。
　　 盡管BiFeO3薄膜具有很多不可比擬的優(yōu)勢，但其漏電流過大一直是制約其發(fā)展的一個瓶頸，尤其是用化學溶液法制備的BiFeO3薄膜漏電問題更為嚴重。但從制備方法的可行性來看，化學溶液法又是將來最有希望能夠實現(xiàn)大規(guī)模生產的唯一方法。此外，B

2、iFeO3薄膜目前的制備溫度普遍在500～600℃之間，較高的沉積溫度不僅使BiFeO3的漏電問題更加嚴重，同時也使BiFeO3薄膜與未來大規(guī)模集成電路系統(tǒng)的兼容成為問題。如何使用化學溶液法制備BiFeO3-基薄膜，同時又能通過其他可行的方法來降低制備溫度，抑制漏電已經成為當前鐵電、壓電領域工作人員研究的重點和熱點。
　　 本論文著重通過適當降低BiFe0.95Mn0.05O3(BFMO)薄膜的單層厚度來提高其晶化程度，進而改善

3、其電學性能，達到降低制備溫度的目的，同時還深入研究了層厚對BFMO薄膜結構和性能的影響。本論文制備了不同Bi過量的BiFe0.97Mn0.03O3(BFMO)簿膜，并系統(tǒng)研究了Bi過量對溫度的依賴關系以及不同Bi過量對不同退火溫度下的BFMO薄膜鐵電及漏電性能的影響，為解決BiFeO3-基薄膜的漏電問題提供了新的思路。主要研究內容及結論如下：
　　 本論文在ITO/玻璃襯底上，通過控制BiFe0.95Mn0.05O3前驅體溶液的

4、濃度，采用溶膠-凝膠法結合層層退火工藝，制備了單層厚度分別為42、31、25、20nm的BiFe0.95Mn0.05O3薄膜。結果發(fā)現(xiàn)，降低BiFe0.95Mn0.05O3薄膜的單層厚度(從42nm/l降到25nm/l)有助于提高BFMO提高薄膜的鐵電性能，但也不能無止境的降低，當層厚超過某一極限值(25nm/l)時，繼續(xù)降低層厚就會帶來負面效應。在一定條件下存在一個最佳的單層厚度值，當層厚大于該最佳值時，降低層厚正面效應起主導主用，B

5、FMO薄膜的鐵電性能逐漸變好，達到最佳層厚值時BFMO薄膜的綜合性能最好。當層厚小于該最佳值，繼續(xù)降低單層厚度，此時負面效應起主導作用，BFMO薄膜的電學性能又開始衰退。在本論文的實驗中，最佳的單層厚度值是25nm/l。在單層厚度為25nm/l的BFMO薄膜中觀察到了典型的柱狀結構，剩余極化值較大，并且剩余極化值不隨退火溫度的升高而明顯變大。更重要的是，對于一個給定的剩余極化值，25nm/l的BFMO薄膜的所需要的退火溫度比42、31、

6、20nm/l的BFMO薄膜得到相同大小的剩余極化值所需要的退火溫度要低45～64℃，特別是在575℃以下，這種差異更為明顯。該結果說明，單層厚度過厚或過薄都不利于晶體生長，只有適當?shù)膯螌雍穸炔庞兄谔岣連FMO薄膜的電學性能，同時有利于降低其制備溫度。
　　 本論文ITO/玻璃襯底上，采用溶膠．凝膠法結合層層退火工藝，制備了Bi過量分別為0％、5％、10％、15％、20％的BiFe0.97Mn0.03O3薄膜，并系統(tǒng)研究了低溫制

7、備時不同Bi過量在不同溫度下對BFMO薄膜結構和性能的影響。結果表明，在500℃以下制備BFMO薄膜時Bi并不揮發(fā)，即使有揮發(fā)也是少量的揮發(fā)，此時并不需要加過量的Bi來補充。在低溫制備時，過量的Bi由于難以揮發(fā)通常會存在于晶界處，當晶界容納不下時會以富Bi相(Bi2O3)的形式析出在BFMO薄膜的表面，使漏電流增大。根據退火溫度的不同，所需過量Bi的最佳值也不同。溫度越低，晶化程度越低，晶粒越小，晶界較多，能夠容納的過量Bi也就越多；相