BVO铁电薄膜电容结构的制备与性能研究

论文摘要

相对于传统的非易失性存储器,基于铁电薄膜的非易失性存储器具有功耗低,存取速度快,掉电数据不丢失等优点。锆钛酸铅（PZT）是最早的铁电存储器材料,已经被大量研究并做成商用的铁电存储器。但是由于PZT存在抗疲劳特性差,铅易对环境造成污染等缺陷,寻找性能更好,更加环保的铁电存储器材料来替代PZT薄膜的研究工作一直都在进行。近年来发现的像钽酸锶铋（SBT）、钛酸铋（BIT）等一系列具有铋系层状钙钛矿结构的铁电薄膜,具有良好的介电性质和抗疲劳特性成为了研究的热点。钒酸铋（Bi2VO5.5,简称BVO）薄膜是由就是属于这种结构的铁电薄膜,它是由（Bi202）2+和（V03.5□0.5）2-交替排列的单层铋系层状类钙钛矿结构,这里口代表的是氧空位。随着温度的变化BVO表现出3种不同的相变,高温Y相时BVO表现出很高的氧离子导电性,所以这种材料最初被作为氧离子导体来研究。在燃料电池和氧传感器方面都有着很大的应用前景。随着薄膜制备技术的发展,制备出BVO薄膜成为可能。这种薄膜材料介电性能好,晶化温度比较低,在铁电存储器上有比较好的应用前景。目前国外文献中报道的BVO薄膜的制备方法大部分采用PLD法,这种方法成本较高,薄膜生长速度慢,不利于大批量生产和薄膜组分的调整。选择一种更加可靠、方便、低成本的方法制备BVO薄膜,更有利于薄膜特性的研究。本论文用溶胶凝胶这种成本低廉,简单易行的制备方法,成功的制备出了BVO薄膜。并对薄膜的各项性质做了细致的研究,讨论了制备工艺对薄膜性能的影响,取得了一些创新性的成果,主要内容包括：1.通过溶胶凝胶的方法,利用成本低廉的偏钒酸铵和硝酸铋等作为原料成功的在Si（100）和氧化物电极衬底上,制备出了性能优良的钒酸铋薄膜,并且完成了Cu和Fe掺杂BVO薄膜的制备。2.利用XRD、SEM和AFM等手段对薄膜的微结构和表面形貌进行了研究,发现溶胶凝胶方法制备的BVO薄膜从600℃退火时就表现出高度的c择优生长。随着退火温度的增加,薄膜的择优取向程度不断提高,择优取向程度可以与PLD方法相比拟,达到了0.9以上。从微观形貌来看,薄膜晶粒大小均匀,表面粗糙程度较小。3.通过在Si衬底和制备了LNO氧化物电极的衬底上制备BVO薄膜,并在薄膜溅射Pt上电极,分别做成了Pt/BVO/Si和Pt/BVO/LNO/Si的MFS结构和电容结构。分别对这两种结构进行了电学方面的测试,从C-V特性、铁电性能、介电特性、漏电流方面,对不同退火温度下和掺杂的BVO薄膜进行了研究。结果表明,退火温度可以比较大的影响薄膜的电学性质。通过比较,得出在650℃的退火温度时,薄膜的各项性质较为优良。4.基于BVO薄膜在光学器件方面的潜在的应用价值,本文还对薄膜的光学性质做了初步的研究。对薄膜椭圆偏振光谱的研究,得到了薄膜的折射率n和消光系数k,通过分析不同退火温度薄膜光学常数的变化,发现随着退火温度的增加,薄膜的晶化程度不断提高,使得薄膜的n、k常数的提高。通过拉曼光谱的测试,揭示了薄膜随着退火温度和掺杂量的改变内部结构发生的改变。

论文目录

• 论文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 铁电材料的发展历史
• 1.2 铁电薄膜的发展
• 1.3 铁电薄膜的制备方法
• 1.4 铁电薄膜性质的表征方法
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第二章 BVO铁电薄膜的制备
• 2.1 引言
• 2.2 BVO薄膜样品制备的流程
• 2.3 掺杂BVO薄膜的制备流程
• 2.4 本章小结
• 第三章 BVO薄膜微结构和表面形貌的分析
• 3.1 引言
• 3.2 BVO薄膜的XRD分析
• 3.3 BVO薄膜表面形貌的分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 BVO薄膜电学性质的研究
• 4.1 铁电存储器的结构和工作原理
• 4.2 BVO薄膜MFS结构电学性质的研究
• 4.3 BVO薄膜电容结构电学性质特性的研究
• 4.4 本章小结
• 第五章 BVO薄膜的光学性质的分析
• 5.1 BVO薄膜的椭圆偏振光谱的分析
• 5.2 BVO薄膜的拉曼光谱的分析
• 5.3 BVO薄膜的反射光谱的分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录