多層鐵電薄膜的制備及其電性能研究.pdf

1、鈦酸鍶鋇[(Ba1-xSrx)TiO3](BST)薄膜是目前凝聚態(tài)物理領(lǐng)域倍受關(guān)注的鐵電材料。一方面，由于它具有優(yōu)異的鐵電、壓電、介電和熱釋電性能，在非揮發(fā)性鐵電隨機存取存儲器、壓電傳感器、熱釋電傳感器和超大規(guī)模隨機存取寄存器中的貯存電容器等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，另一方面，BST材料為簡單立方的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，其居里溫度隨組份x增大而線性的減小，因此，可以通過改變組份人為地調(diào)整材料的居里溫度，從而滿足不同器件應(yīng)用的要求。 本論文以

2、BST鐵電薄膜為主要研究對象，首先我們發(fā)展了溶膠-凝膠(sol-gel)方法，探索了采用這種改進的sol-gel方法制備異質(zhì)多層結(jié)構(gòu)鐵電薄膜的最佳工藝條件，成功制備出具有理想結(jié)構(gòu)和優(yōu)異電學(xué)性能的異質(zhì)多層鐵電薄膜材料。其次，我們從理論和實驗兩方面系統(tǒng)研究了BST鐵電薄膜的成份與微結(jié)構(gòu)對介電、鐵電性能以及漏電行為的影響。通過研究發(fā)現(xiàn)： (1)選用LaNiO3(LNO)作為單晶Si襯底與(BaxSr1-x)TiO3之間的過渡層和鐵電薄

3、膜電容器的底電極，在750℃、O2氣氛下熱處理30min后，(Ba0.7Sr0.3)TiO3薄膜在50kHz、零偏壓時的介電系數(shù)εr大于300。偏壓為6V時，漏電流密度JL小于1.2×10-6A/cm2。實驗結(jié)果表明，通過選擇合適的襯底及底電極材料并優(yōu)化制備工藝，采用改進的sol-gel法能夠獲得性能良好的鐵電薄膜。理論分析還發(fā)現(xiàn)，Al/BST/LNO結(jié)構(gòu)鐵電薄膜電容的漏電流受空間電荷限制電流機制和肖特基機制共同制約； (2)隨

4、著Ni摻雜量的增加，(Ba0.8Sr0.2)TiO3薄膜中的晶粒尺寸減小，電學(xué)性能發(fā)生了明顯地變化。在室溫條件下，薄膜在100kHz零偏壓下的介電系數(shù)和10V偏壓下的漏電流密度分別由未摻雜時的460和3.8×10-4A.cm-2下降到0.4％Ni摻雜時的250和4.0×10-6A.cm-2。這表明通過適量Ni的摻雜，可以有效地調(diào)整BST薄膜的電學(xué)性能，以滿足動態(tài)隨機存取存貯器的應(yīng)用要求； (3)兩種結(jié)構(gòu)異質(zhì)多層鐵電薄膜的漏電流密

5、度與相應(yīng)的具有同樣厚度的單層BST薄膜相比降低了2-3個數(shù)量級，但MgO/(Ba0.8Sr0.2)TiO3多層鐵電薄膜介電系數(shù)與(Ba0.8Sr0.2)TiO3單層薄膜的(＞450)相比也降低了約50％，而(Ba0.5Sr0.5)TiO3/Pb(Zr0.5Ti0.5)O3多層鐵電薄膜卻能保持比較大的介電系數(shù)(＞340)。實驗結(jié)果顯示，如果減小多層薄膜中各子層的厚度并增加重復(fù)周期數(shù)，有望在確保多層薄膜具有較高介電系數(shù)的前提下大幅度降低漏電