Bi4Ti3O12鐵電薄膜的摻雜改性及極化特性的Landau-Devonshire理論研究.pdf

1、有著低功耗、非揮發(fā)性、高讀寫次數(shù)、高存取速度、高密度存儲、抗輻射以及與集成電路工藝兼容等特點的鐵電隨機讀寫存儲器在計算機、國防、航空航天等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿ΑｈF電薄膜因在鐵電隨機讀寫存儲器中的應(yīng)用而備受關(guān)注。本論文使用化學(xué)溶液沉積法(CSD)針對Bi4Ti3O12(BIT)鐵電薄膜的制備與摻雜改性進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究,同時利用朗道-德文希爾(Landau-Devonshire)理論研究了鐵電薄膜的極化特性。在實驗和理論研究方

2、面的內(nèi)容和結(jié)果概括如下:
　　1.實驗上,在A位選擇Nd元素,在B位分別選擇Mn、Mg、Al、Sc等元素,用CSD法在Pt/Ti/SiO2/Si等不同基片上制備了A、B位共摻雜的Bi3.15Nd0.85Ti2.95Mn0.05O12(BNTMn)、Bi3.15Nd0.85Ti3-xMgxO12(BNTMg(x))、Bi4-xNdxTi2.95Mg0.05O12(BN(x)TMg)、 Bi3.15Nd0.85Ti3-xAlxO12(

3、BNTAl(x))、Bi3.15Nd0.85Ti3-xScxO12(BNTSc(x))和Bi3.15Nd0.85Ti3-x(Alx,Scx)O12(BNT(Al(x),Sc(x))薄膜,探討了其性能改善的物理機制,得到了如下成果:
　　(1)選用Nd作為BIT薄膜的A位摻雜元素(BNT),詳細(xì)研究了B位Mg受主摻雜對BNT薄膜性能的影響,著重研究了熱處理溫度、摻雜含量對BNTMg薄膜的微結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能的影響。發(fā)現(xiàn)700℃為最佳退火

4、溫度,薄膜的剩余極化隨著摻雜量增加先增加后減小。在BNTMg(x)薄膜中,由于Mg離子的半徑比Ti離子的半徑大,從而導(dǎo)致TiO6八面體中產(chǎn)生更大的晶格畸變,從而有利于提高鐵電薄膜的極化。
　　(2)詳細(xì)對比了B位Mn和Mg元素的受主摻雜BNT薄膜的鐵電性能。研究發(fā)現(xiàn),BNTMg薄膜的剩余極化值大于BNTMn薄膜。一方面,替換Ti4+的Mg2+離子半徑(0.072nm)比Mn3+離子半徑(0.060nm)大,引起TiO6八面體發(fā)生大

5、的晶格畸變;另一方面,鐵電性能的改善是外層電子的軌道雜化和晶格畸變共同作用的結(jié)果。
　　(3)嘗試性地提出在BNT薄膜B位同時摻雜Al和Sc元素,對晶胞中的Ti離子進(jìn)行雙離子替換的思想。實驗結(jié)果表明,BNT(Al(x),Sc(x)薄膜的鐵電、介電等性能比BNTAl(x)、BNTSc(x)薄膜有不同程度的提升與改善,得到了綜合改善薄膜鐵電性能和漏電流性能的方法。
　　2.理論方面,為了理解薄膜的極化特性,選擇了參數(shù)完備的BaT

6、iO3薄膜為研究對象,利用Landau-Devonshire理論研究了鐵電薄膜的極化特性,取得了如下成果:
　　(1)在Landau-Devonshire熱力學(xué)理論框架下詳細(xì)地研究了外推長度d的不同取值對薄膜表面、界面和薄膜內(nèi)部的極化分布的影響。計算了在拉應(yīng)力條件下,薄膜厚度分別為80nm、160nm和400nm,d分別為1nm、3nm、6.29nm、8nm時的極化強度。結(jié)果表明,薄膜的厚度越小,表面處極化大小的差別越大,剩余極化

7、P則隨著外推長度值的增加而增加。
　　(2)計算并給出了BaTiO3在拉應(yīng)力條件下d分別為3nm、6.29nm、8nm以及在壓應(yīng)力條件下d分別為1.0001nm、2nm、4nm時薄膜的臨界厚度。計算表明,外推長度取值越大,臨界厚度越小;由外推長度不同帶來的剩余極化P的差別隨著薄膜厚度增加而減小。說明d的取值對于剩余極化強度的大小及分布的影響不容忽視,并且這種影響會隨著薄膜厚度的減小越發(fā)敏感。
　　(3)異質(zhì)膜的晶格失配是無法