SBT类钙钛矿结构铁电陶瓷制备与Cu单晶衬底上薄膜沉积探索

论文摘要

铁电薄膜及其在非挥发性铁电存储器（ferroelectric random access memory,简称FRAM）领域的应用是近年来国内外研究的热点。本研究分别从铁电材料体系和薄膜衬底的选择两个方面入手,尝试解决FRAM面临的铁电疲劳问题。研究中,以抗铁电疲劳性能突出的SrBi2Ta2O9（SBT）类钙钛矿结构铁电材料作为主要研究对象,对类钙钛矿相的合成、大尺寸靶材制备、衬底加工和铁电薄膜沉积进行了全面的探索。采用固相反应法制备了Bi2O3过量程度不同的SBT陶瓷及靶材,探讨了制备工艺及Bi2O3过量程度对SBT陶瓷结构及性能的影响。以自制的大尺寸靶材,采用射频磁控溅射法（radio frequency magnetron sputtering,简称RMP）尝试了在Cu单晶衬底上沉积SBT铁电薄膜,通过N2气氛退火的方式使其从无定形状态转变为结晶态,并对其结构和性能进行了初步探讨。研究结果表明,采用两步合成法制备类钙钛矿结构SBT时,BiTaO4前驱体和SBT粉体的最佳合成温度分别为900℃和950℃。1000℃时烧结可以得到结晶度较高的类钙钛矿结构SBT铁电陶瓷,而且随着烧结温度的升高,SBT陶瓷的致密度和c-轴取向度会逐渐提高,铁电性随之增强,但介电性则有所降低。过量Bi2O3的加入不仅会起到烧结助剂和促进SBT陶瓷中晶粒沿c-轴取向生长的作用,还可以提高SBT陶瓷的介电性,影响SBT陶瓷的铁电性。其中Bi2O3过量5mol%时,SBT陶瓷的铁电性最好。在1000℃烧结2h制得Bi2O3含量不同的类钙钛矿结构SBT陶瓷靶材,外观无明显变形,其综合性能可满足射频磁控溅射镀膜的要求。在Ar/O2气氛中沉积1.5～3h得到SBT薄膜后,在不同温度的N2气氛中退火,进行掠入射X射线衍射（grazing incidence X-ray diffraction,简称GIXRD）分析。结果表明:SBT薄膜在650℃开始结晶,780℃结晶度较好,但Cu单晶衬底出现了部分氧化现象。所制备的SBT薄膜漏电流较大,这可能是Cu原子在SBT晶界处扩散至薄膜表面后聚集,以及Cu的氧化和Bi2O3的挥发导致SBT中的空位浓度增加所致。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 铁电体与铁电材料
• 1.1.1 铁电性
• 1.1.2 铁电体与其它介电体的关系
• 1.1.3 铁电体的其它性质
• 1.2 铁电薄膜及其在FRAM 中的应用
• 1.2.1 FRAM 简介
• 1.2.2 FRAM 的工作原理
• 1.2.3 FRAM 的研究进展
• 1.2.4 FRAM 发展所面临的主要问题
• 1.2.5 提高FRAM 抗铁电疲劳性的方法
• 1.2.5.1 材料体系的选择
• 1.2.5.1.1 SBT 的晶体结构
• 1.2.5.1.2 SBT 铁电薄膜的研究进展
• 1.2.5.2 电极和衬底材料的选择
• 1.2.5.2.1 衬底材料对铁电薄膜性能的影响
• 1.2.5.2.2 电极材料对铁电薄膜性能的影响
• 1.2.5.2.3 贱金属衬底在铁电薄膜制备中的应用
• 1.2.5.2.4 Cu 单晶衬底上沉积铁电薄膜的可行性
• 1.3 SBT 铁电薄膜的制备方法
• 1.4 本文选题的依据及研究的主要内容
• 参考文献
• 第二章 SBT 类钙钛矿相的合成与射频磁控溅射靶材的制备
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验试剂
• 2.2.2 实验仪器
• 2.2.3 实验方法
• 2.2.3.1 SBT 类钙钛矿相的合成
• 2.2.3.2 SBT 铁电陶瓷和靶材的制备
• 2.2.4 样品的表征方法
• 2.2.4.1 密度测试
• 2.2.4.2 X 射线衍射分析
• 2.2.4.3 扫描电子显微分析
• 2.2.4.4 介电性测试
• 2.2.4.5 铁电性测试
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 SBT 类钙钛矿相的合成
• 2.3.1.1 前驱体预合成温度的确定
• 2.3.1.2 SBT0 类钙钛矿相的合成温度的研究
• 20₃ 含量对前驱体BT 合成的影响'>2.3.1.3 Bi₂0₃ 含量对前驱体BT 合成的影响
• 20₃ 含量对SBT 合成的影响'>2.3.1.4 Bi₂0₃ 含量对SBT 合成的影响
• 0 陶瓷烧结工艺的确定'>2.3.2 SBT₀陶瓷烧结工艺的确定
• 20₃ 含量对SBT 陶瓷烧结特性的影响'>2.3.3 Bi₂0₃ 含量对SBT 陶瓷烧结特性的影响
• 2.3.4 SBT 铁电陶瓷的性能研究
• 2.3.4.1 SBT 陶瓷的介电性研究
• 2.3.4.2 测试条件对SBT 陶瓷铁电性能的影响
• 2.3.4.3 烧结温度对SBT 陶瓷铁电性能的影响
• 20₃ 含量对SBT 陶瓷铁电性能的影响'>2.3.4.4 Bi₂0₃ 含量对SBT 陶瓷铁电性能的影响
• 2.3.5 大尺寸SBT 烧结陶瓷靶材的制备
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 射频磁控溅射法制备 SBT 铁电薄膜
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验原料
• 3.2.2 实验仪器
• 3.2.3 实验方法
• 3.2.4 样品的表征方法
• 3.2.4.1 衬底表面位错密度分析
• 3.2.4.2 衬底表面粗糙度的测量
• 3.2.4.3 衬底和薄膜表面特征的观察
• 3.2.4.4 薄膜结构分析
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 衬底的选择与制备
• 3.3.1.1 Cu 单晶衬底的晶面选择
• 3.3.1.2 Cu 单晶衬底的制备
• 3.3.1.3 Cu 单晶衬底的结晶学取向与表面状态研究
• 3.3.2 射频磁控溅射法制备SBT 铁电薄膜
• 3.3.2.1 射频磁控溅射仪的工作原理
• 3.3.2.2 射频磁控溅射镀膜的厚度均匀性
• 3.3.2.3 溅射时间对薄膜厚度影响
• 3.3.2.4 溅射工艺的优化
• 3.3.3 SBT 铁电薄膜的热处理
• 3.3.3.1 退火气氛的选择
• 3.3.3.2 退火温度对SBT 薄膜相组成的影响
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 SBT 铁电薄膜的性能分析
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验仪器
• 4.2.2 电极制备
• 4.2.3 样品的表征方法
• 4.2.3.1 铁电性测试
• 4.2.3.2 漏电流测试
• 4.2.3.3 扫描电子显微分析
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 SBT 铁电薄膜的铁电性分析
• 4.3.2 SBT 铁电薄膜的漏电流特性分析
• 4.3.3 SBT 铁电薄膜的微观形貌及成分分析
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 结论
• 研究展望
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文