Bi3.15Nd0.85Ti3O12铁电薄膜的电离辐射效应研究

论文摘要

由于在非挥发性存储器中具有良好的应用前景,近年来,铁电材料一直是研究的热点。与传统存储器相比,铁电存储器最突出的优点是具有良好的抗辐射性能,这使其特别适合于航空航天和军事领域。研究表明,Pb（Zr,Ti）O3 （PZT）铁电薄膜的抗辐射的总剂量大于5 Mrad（Si）,但其抗疲劳性能较差,含铅,会对环境造成污染。Bi4?xNdxTi3O12 （BNT）铁电薄膜是近来研究的热点,不但具有许多优良的铁电性能,如抗疲劳性能好、剩余极化强度大等,而且与PZT铁电薄膜相比,不含铅,不会造成环境污染。遗憾的是,BNT铁电薄膜的抗辐射性能却没有得到实验证实,严重制约了其在航空航天和军事领域的应用。基于上述应用背景,本论文研究了应用于铁电存储器的无铅铁电薄膜的电离辐射效应,结果表明制备的BNT薄膜具有良好的抗辐射性能,其抗电离辐射总剂量大于10 Mrad（Si）。本文首先采用化学溶液沉积法（CSD）在Pt/Ti/SiO2/Si基片上制备出了BNT铁电薄膜。用X射线衍射、扫描电子显微镜对铁电薄膜样品进行了成分和微观结构分析。结果表明样品具有典型的铋层状钙钛矿结构,呈（00l）和（117）混合取向,薄膜表面光滑致密,晶粒大小约为100 nm到300 nm之间。用铁电分析仪对铁电薄膜的电滞回线（P-E）、电流-电压特性（I-V）进行了测量,结果表明BNT铁电薄膜具有良好的铁电性能,剩余极化强度（2Pr）的最大值可达52μC/cm2,矫顽场较小,漏电流较低。然后对已制备的样品进行了总剂量分别为5 Mrad（Si）和10 Mrad（Si）的电子辐射实验,对比了辐射前后铁电薄膜的P-E回线和I-V曲线。辐射后,样品的剩余极化强度稍有减少,漏电流有所降低。又将辐射后的样品再进行总剂量为100 Mrad（Si）的γ射线辐射,同样对比了辐射前后铁电薄膜的P-E回线和I-V曲线。辐射后,样品的剩余极化强度急剧减少,电滞回线变形,铁电薄膜已经失效。而漏电流进一步降低,且降幅增大,这对提高铁电薄膜的性能有一定的意义。以上结果与辐射产生的缺陷捕获电荷有着密切的联系。最后对铁电薄膜的电离辐射机制进行了详细地讨论分析。分析了辐射引起的剩余极化强度的减少,电滞回线形变的内在机制,其主要是由被捕获的电荷形成附加电场抵消自发极化引起的。又分析了辐射对铁电薄膜导电机制的影响,其内在机制是辐射引发的晶界势垒高度的增加。还运用理论模型深入探讨了辐射后剩余极化强度减少与漏电流降低两者的内在联系:剩余极化强度的减少引起有效介电常数的降低,从而导致晶界势垒高度的增加,最终使得漏电流降低。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 铁电薄膜材料
• 1.1.1 铁电体
• 1.1.2 铁电薄膜材料
• 1.1.3 铁电薄膜材料
• 1.1.4 铁电薄膜材料的应用
• 1.1.5 铁电存储器
• 1.2 辐射效应
• 1.2.1 辐射环境
• 1.2.2 辐射损伤机理
• 1.2.3 铁电薄膜及器件的辐射研究
• 1.3 本文的选题依据
• 1.4 主要研究内容
• 第二章 BNT 铁电薄膜的CSD 法制备
• 2.1 CSD 法的基本原理
• 2.2 实验设备
• 2.3 实验材料
• 2.3.1 基片
• 2.3.2 化学试剂
• 2.4 铁电薄膜的制备工艺
• 2.4.1 前躯体溶液配制
• 2.4.2 薄膜制备
• 2.4.3 电极制备
• 2.5 铁电薄膜的测试与分析
• 2.5.1 微观结构
• 2.5.2 电学性能
• 2.6 辐射实验
• 第三章 BNT 铁电薄膜辐射前后结构和性能分析
• 3.1 辐射前的微观结构和电学性能
• 3.1.1 微观结构分析
• 3.1.2 电学性能分析
• 3.2 5 Mrad（Si）/10 Mrad（Si）电子辐射后的电学性能
• 3.2.1 辐射实验概述
• 3.2.2 结果与分析
• 3.3 100 Mrad（Si） γ射线辐射后的电学性能
• 3.3.1 辐射实验概述
• 3.3.2 结果与分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 BNT 铁电薄膜的电离辐射机制
• 4.1 电滞回线变化的电离辐射机制
• 4.1.1 剩余极化强度减少
• 4.1.2 电滞回线变形
• 4.2 I-V 曲线变化的电离辐射机制
• 4.2.1 导电模型
• 4.2.2 I-V 特性变化
• 4.3 两者内在联系
• 4.4 本章小结
• 第五章 工作总结与展望
• 5.1 工作总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文和专利