摻雜Sr-,2-Bi-,4-Ti-,5-O-,18-薄膜鐵電性能研究.pdf

1、本論文著重于Sr<,2>Bi<,4>Ti<,5>O<,18>(SBTi)層狀鈣鈦礦鐵電薄膜的制備及其摻雜后的薄膜材料的微結(jié)構(gòu)、鐵電、疲勞性能的研究。這些研究對于指導(dǎo)設(shè)計有實(shí)用性能的用于非易失性鐵電隨機(jī)存儲器的新型鐵電材料有一定的指導(dǎo)作用。 本文首先報道了用溶膠一凝膠法在Si/SiO<,2>/Ti/Pt基片上制備了性能優(yōu)良的SBTi鐵電薄膜材料。X射線衍射、掃描電子環(huán)境和原子力顯微鏡分析表明了所沉積的薄膜具有較好的結(jié)晶學(xué)和表面形貌

2、，沒有第二相的存在。sol-gel制備的SBTi非晶薄膜在700℃時開始晶化，800℃晶化良好，是多晶自然取向，晶粒呈棒狀。800℃晶化的樣品具有較好的鐵電性能，RT6000HVS和RT66A測試SBTi薄膜的鐵電性能顯示，在275 kV/cm的外電場下，其剩余極化(2P<,r>)和矯頑場(E<,c>)分別為24μC/cm<'2>和69 kV/cm，且材料的抗疲勞性能較好。 Nd摻雜SBTi(Sr<,2>Bi<,4-x>N6<,

3、x>Ti<,5>O<,18>，x=0.00，0.10)薄膜的鐵電測試結(jié)果顯示，適當(dāng)?shù)膿诫s量能有效改善SBTi的鐵電性能。摻雜量為0.10時，在230 kV/cm的外電場下，2P<,r>達(dá)到30μC/cm<'2>，比未摻雜時(22μC/cm<'2>)提高了36％。當(dāng)Nd離子摻雜進(jìn)入SBTi后，一方面降低了伴隨Bi揮發(fā)的氧空位濃度，使類鈣鈦礦層的穩(wěn)定性提高；另一方面，Nd摻雜后氧空位的激活能可能提高，從而減小疇釘扎，所以Nd摻雜后SBTi的

4、抗疲勞性能有了一定提高。 在SBTi中，Sr欠量Bi過量形成Sr<,2-x>Bi<,4+2x/3>Ti<,5>O<,18>(x=0.3)薄膜樣品可以使材料的剩余極化明顯提高，達(dá)到了35μC/cm<'2>，對制備的相應(yīng)的陶瓷樣品進(jìn)行測試發(fā)現(xiàn)，sr欠量Bi過量使SBTi樣品鐵電性能得到了相同程度的提高。同時，由介電溫度譜可知，摻雜后材料的介電峰向高溫方向移動。因此，材料鐵電性能的提高，主要是晶格畸變增大以及缺陷濃度降低兩方面的結(jié)果。

5、一方面，樣品鐵電特性與晶格畸變有很密切的關(guān)系，大的晶格畸變會導(dǎo)致更大的自發(fā)極化P<,s>。欠Sr過Bi使得SBTi樣品的晶格畸變變大，從而使材料的自發(fā)極化提高；另一方面，利用多余的價電子，通過化合價中和，可以減少樣品中的氧空位濃度，增大剩余極化。 B位高價陽離子(V<'5+>)摻雜SBTi薄膜，不僅能有效地提高材料的鐵電性能，還能提高薄膜樣品的抗疲勞性能。高價陽離子(V<'5+>)摻雜能有效地增加SBTi的剩余極化(34μC/c

6、m<'2>)，這主要是因?yàn)楦邇r陽離子的取代可以減少材料內(nèi)部的氧空位濃度，從而使參與反轉(zhuǎn)的疇增多，增加材料的剩余極化值；另一方面，正五價態(tài)的V<'5+>取代正四價態(tài)的Ti<'4+>，會形成一個很高的局部電場，而這些電場會對周圍的一些偶極子的取向產(chǎn)生影響，從而提高SBTi樣品的飽和極化。此外，本文還進(jìn)行了部分陶瓷樣品的研究。在Nd<'3+>取代SBTi中Sr<'2+>位的樣品Sr<,2-3x/2>Nd<,x>Bi<,4>Ti<,5>O<,1

7、8>中，我們發(fā)現(xiàn)，在x=0.20時，2P，達(dá)到最大值22 μC·cm<'-2>，相比未摻雜樣品，2P<,r>提升了37.5％，鐵電性能得到明顯改善。當(dāng)三價的Nd<'3+>取代二價的Sr<'2+>后，由于電荷電中性的限制，就會出現(xiàn)Nd<'·><,sr>和V＂<,sr>形成的空位對，這些空位對在居里溫度以下的動性很低。伴隨著這些空位對產(chǎn)生的隨機(jī)場會有助于已釘扎疇的解釘扎，從而增加可反轉(zhuǎn)疇的數(shù)量，導(dǎo)致2P<,r>增大。 本文總結(jié)了A、