鈣鍶鉍鈦鐵電薄膜晶粒定向工藝及機理的研究.pdf

1、鉍層狀鈣鈦礦結構鐵電材料(bismuth layer-structured ferroelectrics：BLSFs)具有較高的居里溫度，較低的介電損耗以及較好的抗疲勞性能而適用在鐵電隨機存儲器、高溫高頻鐵電壓電器件和高密度電容器，因而受到材料界的廣泛關注。這類材料的主要研究對象有SrBi2Ta2O9(SBT)、SrBi4Ti4O15(SBTi)和Bi4-xLaxTi3O12。鉍層狀鈣鈦礦結構材料的化學通式為(Bi2O2)2+(Am-1

2、BmO3m+1)2-，(Bi2O2)2+為層狀結構，(Am-1BmO3m+1)2-為類鈣鈦礦結構，層狀結構(Bi2O2)2+(簡稱鉍層)與類鈣鈦礦結構層(以氧八面體BO6為標志)交替排列，A一般為+1，+2或者+3價離子，B為+3，+4或者+5價離子，m為類鈣鈦礦層(氧八面體BO6)的個數(shù)。其結構可以看成是(B2O2)2+層和類鈣鈦礦層(Am-1BmO3m+1)2-交互生長的結構。
　　 SBTi是一種典型的鉍層狀鈣鈦礦結構鐵電

3、材料，有著較大的剩余極化強度和抗疲勞性能，但是其較低的居里溫度(520℃)限制了它的應用。近年來隨著高溫鐵電壓電裝置的出現(xiàn)以及高溫應用要求的不斷提高，迫切需要有較高居里溫度的高溫鐵電壓電材料。CaBi4Ti4O15(CBTi)是與SBTi結構相同的鉍層狀鈣鈦礦結構鐵電材料，其突出的優(yōu)點恰是居里溫度較高(790℃)。為此，本課題組對SBTi鐵電薄膜進行Ca2+取代改性研究，結果表明，Ca2+取代量為0.4時，即Ca0.4Sr0.6Bi4T

4、i4O15(簡稱C0.4S0.6BTi)薄膜樣品的鐵電性能良好。
　　 鉍層狀鈣鈦礦結構的各向異性決定了其鐵電性能與其晶粒取向有著密切的關系。由于平移面和滑移面的存在，當m為偶數(shù)時，沿b軸和c軸的位移相互抵消，它們對總極化無貢獻，其自發(fā)極化軸沿a軸方向。所以對于C0.4S0.6BTi(m=4)制備a軸擇優(yōu)取向的鉍層狀鈣鈦礦結構鐵電材料是提高其鐵電性能的有效途徑。本文通過對熱處理工藝條件的控制、TiO2緩沖層的引入和適量的Sm摻雜

5、分別制備了a擇優(yōu)取向的C0.4S0.6BTi鐵電薄膜，并對相應的作用機理進行了探討。
　　 本文采用溶膠-凝膠(Sol-gel)法在Pt/Ti/SiO2/Si基片上制備了C0.4S0.6BTi鐵電薄膜，研究了勻膠速度、熱分解溫度與熱處理溫度對薄膜取向和性能的影響。用X射線衍射表征了薄膜的晶體結構，用掃描電鏡觀察了樣品顯微形貌。根據(jù)實驗結果和分析，得出在Pt/Ti/SiO2/Si基片上制備a軸擇優(yōu)的C0.4S0.6BTi薄膜的優(yōu)化

6、熱處理工藝條件為：勻膠速度4000r/m，熱分解溫度400℃，退火溫度為800℃。所制備的a擇優(yōu)取向的薄膜樣品結晶良好，晶粒多呈球狀，剩余極化強度Pr可達16.1μC/cm2(對應矯頑電場為85kV/cm)，且表現(xiàn)出優(yōu)異的抗疲勞性能，經(jīng)過109極化翻轉后幾乎沒有疲勞現(xiàn)象。
　　 采用溶膠-凝膠法在Pt/Ti/SiO2/Si基片與C0.4S0.6BTi薄膜之間引入金紅石相的TiO2緩沖層。研究發(fā)現(xiàn)，并沒有因TiO2緩沖層的引入而產(chǎn)

7、生雜相，得到的仍為純鉍層狀鈣鈦礦結構C0.4S0.6BTi薄膜，而且得到了高度a擇優(yōu)取向的薄膜樣品。對薄膜樣品進行顯微結構分析發(fā)現(xiàn)，樣品表面光滑、致密、無裂紋，結晶發(fā)育良好，且晶粒形狀多為球形。同時發(fā)現(xiàn)，金紅石相的TiO2緩沖層與C0.4S0.6BTi薄膜在結構上存在一種外延生長關系：(100)[C0.4S0.6BTi]//(101)[010]TiO2。對于鉍層狀鈣鈦礦結構薄膜來說，金紅石相的TiO2應該是一種很有應用前景的緩沖層材料。

8、
　　 采用溶膠-凝膠工藝在Pt/TiO2/SiO2/Si基片上制備了Ca0.4Sr0.6SmxBi4-xTi4O15鐵電薄膜。研究了不同釤摻量對薄膜的顯微結構、晶粒取向及鐵電性能的影響。結果表明：釤摻雜對鈣鍶鉍鈦鐵電薄膜既有抑制氧空位所導致的疇釘扎作用，也有抑制晶粒生長發(fā)育的作用。當釤摻量x=0.05時薄膜樣品晶粒發(fā)育較良好，沿a軸擇優(yōu)取向，I(200)/I(119)=0.869，樣品鐵電性能優(yōu)良，剩余極化強度Pr=10.2μ