BiFeO3-基多重铁性薄膜的制备与性能研究

论文摘要

作为一种典型的单相多铁性钙钛矿材料,BiFeO3是少数在室温下同时具有铁电性（居里温度TC850℃）和铁磁性（尼尔温度TN370℃）的材料之一,在信息存储器、自旋电子器件、传感器和微机电系统等方面有着潜在的应用前景。但是,利用金属有机物分解法制备的BiFeO3薄膜漏电流较高,矫顽场较大,磁性较弱,而且只能在厚度大于400 nm时才能观察到饱和的P-E电滞回线。因此,为了满足未来微电子器件的要求,降低BiFeO3-基薄膜的漏电流、矫顽场和厚度,以及提高薄膜的铁电和铁磁性能是目前亟待解决的几个关键问题。针对上述问题,本文着重于采用形成双层结构以及掺杂镧系元素的方法来降低BiFeO3-基铁电薄膜的漏电流,提高其铁电、压电和铁磁性能。本论文采用金属有机分解法结合层层退火工艺,在不同的衬底上分别制备了BiFeO3-基铁电薄膜,系统研究了Bi3.5Nd0.5Ti3O12、PbZr0.2Ti0.79Nb0.01O3过渡层以及镧系元素Sm和Tb的掺杂对BiFeO3-基薄膜的结构、漏电、铁电以及磁学性能的影响。研究的主要内容以及得出的结论如下:在ITO/Si衬底上,制备了不同厚度的Bi3.5Nd0.5Ti3O12过渡层（0,40,80,160 nm）,研究了过渡层的厚度对沉积在其表面的BiFeO3薄膜的结构、漏电以及多铁性能的影响。结果表明,沉积在Bi3.5Nd0.5Ti3O12过渡层的BiFeO3薄膜的漏电流比直接沉积在ITO/Si衬底上的BiFeO3薄膜低了约两到三个数量级。沉积在40nm厚的Bi3.5Nd0.5Ti3O12过渡层上的BiFeO3薄膜（110）-取向晶粒的择优度最高,剩余极化最大,电荷保持力最好,而且易被磁化。随着Bi3.5Nd0.5Ti3O12过渡层厚度的增加,BiFeO3薄膜（110）-取向晶粒的择优度、P-E回线的矩形度、剩余极化以及电荷保持力均下降。这说明,Bi3.5Nd0.5Ti3O12过渡层最佳的厚度为40 nm,该厚度足以能够降低BiFeO3薄膜的漏电流,提高BiFeO3薄膜的多铁性能。在ITO/glass衬底上,分别制备了一系列Bi1-xSmxFeO3和Bi1-xTbxFeO3薄膜,研究了不同Sm掺量（x=0～20%）和Tb掺量（x=0～16%）对BiFeO3薄膜的结构以及电学性能的影响。结果表明,制备的Bi1-xSmxFeO3薄膜均高（110）-取向的多晶薄膜。对于Bi1-xSmxFeO3体系,在Sm掺量为14%附近,薄膜的结构可能发生了转变,在Sm掺量为16%处,薄膜的剩余压电常数最大。Sm的掺杂降低了Bi1-xSmxFeO3薄膜的漏电流,从而得到了矩形度较好且饱和的P-E电滞回线,Bi1-xSmxFeO3薄膜的剩余极化随着Sm掺量的增加而单调下降。在整个Sm掺杂的范围内,都没有观察到双电滞回线现象。在Bi1-xTbxFeO3体系中,也发现了同Bi1-xSmxFeO3体系类似的现象,但是Bi1-xTbxFeO3薄膜发生结构转变以及出现最大剩余压电常数时的元素掺量不同,该薄膜的结构转变点发生在Tb掺量为11%附近,恰在此掺量处,薄膜的剩余压电常数和饱和磁化强度均最大。Bi1-xSmxFeO3和Bi1-xTbxFeO3体系出现的这种不同的现象可能是因为Sm3+和Tb3+的离子半径不同,从而导致BiFeO3薄膜发生晶格畸变的程度不同。为了进一步降低BiFeO3-基薄膜的矫顽场和厚度,提高其抗击穿能力,我们又在Pt（111）/Ti/SiO2/Si衬底上,以40 nm厚的PbZr0.2Ti0.79Nb0.01O3作为过渡层,制备了不同厚度的Bi0.89Tb0.11FeO3薄膜（200 nm, 280 nm, 360 nm,和440 nm）。由于PbZr0.2Ti0.79Nb0.01O3过渡层的矫顽场较小,抗老化能力较强,所以沉积在其表面的Bi0.89Tb0.11FeO3薄膜的漏电流、矫顽场以及矫顽场的非对称程度均被大幅度的降低。Bi0.89Tb0.11FeO3薄膜的漏电流随着薄膜厚度的增加而降低,剩余极化和矫顽场对薄膜厚度的依赖性很弱,所有薄膜的剩余极化和矫顽场均分别位于45μC/cm2和200 kV/cm左右。200 nm厚的Bi0.89Tb0.11FeO3薄膜几乎没有明显的疲劳和电荷损失。总之,本论文通过形成双层结构和掺杂改性技术,降低了BiFeO3-基薄膜的漏电流,改善了薄膜的多铁性能,从而为以后微电子器件的研发打下了坚实的基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 多铁性材料概况
• 1.1.1 铁电性
• 1.1.2 铁磁性
• 1.1.3 多铁性材料的应用
• 3'>1.2 单相多铁性材料BiFe0₃
• 3 的结构与性能'>1.2.1 BiFe0₃的结构与性能
• 3 薄膜的研究进展'>1.2.2 BiFe0₃薄膜的研究进展
• 1.3 本课题研究的目的及意义
• 1.4 本课题的研究工作
• 第二章 实验方案设计与研究方法
• 2.1 试验药品及常用设备
• 2.2 铁电薄膜的制备
• 3 前驱体溶液的配置'>2.2.1 BiFe0₃前驱体溶液的配置
• 3.5Nd_0.5Ti₃0₁₂ 前驱体溶液的配置'>2.2.2 Bi_3.5Nd_0.5Ti₃0₁₂前驱体溶液的配置
• 0.2Ti_0.79Nb_0.010₃ 前驱体溶液的配置'>2.2.3 PbZr_0.2Ti_0.79Nb_0.010₃前驱体溶液的配置
• 2.2.4 制备铁电薄膜的工艺流程
• 2.3 薄膜的表征方法
• 2.3.1 X 射线衍射
• 2.3.2 原子力显微镜
• 2.3.3 扫描电子显微镜
• 2.3.4 铁电性能测试
• 2.3.5 铁磁性能的测试
• 3.5Nd_0.5Ti₃0₁₂过渡层对BiFe0₃薄膜结构和性能的影响'>第三章 不同厚度Bi_3.5Nd_0.5Ti₃0₁₂过渡层对BiFe0₃薄膜结构和性能的影响
• 3.1 引言
• 3.5Nd_0.5Ti₃0₁₂过渡层对BiFe0₃ 薄膜取向的影响'>3.2 不同厚度Bi_3.5Nd_0.5Ti₃0₁₂过渡层对BiFe0₃薄膜取向的影响
• 3.5Nd_0.5Ti₃0₁₂过渡层对BiFe0₃ 薄膜表面形貌的影响'>3.3 不同厚度Bi_3.5Nd_0.5Ti₃0₁₂过渡层对BiFe0₃薄膜表面形貌的影响
• 3.4 SEM 图像分析
• 3.5Nd_0.5Ti₃0₁₂过渡层对BiFe0₃ 薄膜漏电流的影响'>3.5 不同厚度Bi_3.5Nd_0.5Ti₃0₁₂过渡层对BiFe0₃薄膜漏电流的影响
• 3.5Nd_0.5Ti₃0₁₂过渡层对BiFe0₃ 薄膜电学性能的影响'>3.6 不同厚度Bi_3.5Nd_0.5Ti₃0₁₂过渡层对BiFe0₃薄膜电学性能的影响
• 3.5Nd_0.5Ti₃0₁₂过渡层对BiFe0₃ 薄膜电滞回线的影响'>3.6.1 不同厚度Bi_3.5Nd_0.5Ti₃0₁₂过渡层对BiFe0₃薄膜电滞回线的影响
• 3.5Nd_0.5Ti₃0₁₂过渡层对BiFe0₃ 薄膜保持性能的影响'>3.6.2 不同厚度Bi_3.5Nd_0.5Ti₃0₁₂过渡层对BiFe0₃薄膜保持性能的影响
• 3.5Nd_0.5Ti₃0₁₂过渡层对BiFe0₃ 薄膜疲劳性能的影响'>3.6.3 不同厚度Bi_3.5Nd_0.5Ti₃0₁₂过渡层对BiFe0₃薄膜疲劳性能的影响
• 3.5Nd_0.5Ti₃0₁₂过渡层对BiFe0₃ 薄膜铁磁性能的影响'>3.6.4 40 nm 厚的Bi_3.5Nd_0.5Ti₃0₁₂过渡层对BiFe0₃薄膜铁磁性能的影响
• 3.7 小结
• 1-xSmxFe0₃薄膜的制备与电学性能研究'>第四章 Bi_1-xSmxFe0₃薄膜的制备与电学性能研究
• 4.1 引言
• 1-xSmxFe0₃ 薄膜的晶体结构'>4.2 Bi_1-xSmxFe0₃薄膜的晶体结构
• 1-xSmxFe0₃ 薄膜的电学性能'>4.3 Bi_1-xSmxFe0₃薄膜的电学性能
• 1-xSmxFe0₃ 薄膜的压电性能'>4.3.1 Bi_1-xSmxFe0₃薄膜的压电性能
• 1-xSmxFe0₃ 薄膜的漏电流'>4.3.2 Bi_1-xSmxFe0₃薄膜的漏电流
• 1-xSmxFe0₃ 薄膜的电滞回线'>4.3.3 Bi_1-xSmxFe0₃薄膜的电滞回线
• 1-xSmxFe0₃ 薄膜的疲劳性能'>4.3.4 Bi_1-xSmxFe0₃薄膜的疲劳性能
• 4.4 小结
• 1-xTb_xFe0₃薄膜的制备与多铁性能研究'>第五章 Bi_1-xTb_xFe0₃薄膜的制备与多铁性能研究
• 5.1 引言
• 1-xTb_xFe0₃ 薄膜的晶体结构'>5.2 Bi_1-xTb_xFe0₃薄膜的晶体结构
• 1-xTb_xFe0₃ 薄膜的多铁性能'>5.3 Bi_1-xTb_xFe0₃薄膜的多铁性能
• 1-xTb_xFe0₃ 薄膜的压电性能'>5.3.1 Bi_1-xTb_xFe0₃薄膜的压电性能
• 1-xTb_xFe0₃ 薄膜的畴结构'>5.3.2 Bi_1-xTb_xFe0₃薄膜的畴结构
• 1-xTb_xFe0₃ 薄膜的漏电流'>5.3.3 Bi_1-xTb_xFe0₃薄膜的漏电流
• 1-xTb_xFe0₃ 薄膜的电滞回线'>5.3.4 Bi_1-xTb_xFe0₃薄膜的电滞回线
• 1-xTb_xFe0₃ 薄膜的疲劳性能'>5.3.5 Bi_1-xTb_xFe0₃薄膜的疲劳性能
• 1-xTb_xFe0₃ 薄膜的铁磁性能'>5.3.6 Bi_1-xTb_xFe0₃薄膜的铁磁性能
• 5.4 小结
• 3过渡层对Bi_0.89Tb_0.11Fe0₃薄膜结构及电学性能的影响.'>第六章 PbZ10.2Ti0.79N60.010₃过渡层对Bi_0.89Tb_0.11Fe0₃薄膜结构及电学性能的影响.
• 6.1 引言
• 0.89Tb_0.11Fe0₃ 薄膜的晶体结构'>6.2 Bi_0.89Tb_0.11Fe0₃薄膜的晶体结构
• 0.89Tb_0.11Fe0₃ 薄膜的电学性能'>6.3 Bi_0.89Tb_0.11Fe0₃薄膜的电学性能
• 0.89Tb_0.11Fe0₃ 薄膜的漏电流'>6.3.1 Bi_0.89Tb_0.11Fe0₃薄膜的漏电流
• 0.89Tb_0.11Fe0₃ 薄膜的电滞回线'>6.3.2 Bi_0.89Tb_0.11Fe0₃薄膜的电滞回线
• 0.89Tb_0.11Fe0₃ 薄膜矫顽场的非对称性'>6.3.3 Bi_0.89Tb_0.11Fe0₃薄膜矫顽场的非对称性
• 0.89Tb_0.11Fe0₃ 薄膜的疲劳性能和保持性能'>6.3.4 Bi_0.89Tb_0.11Fe0₃薄膜的疲劳性能和保持性能
• 0.89Tb_0.11Fe0₃ 薄膜的压电性能'>6.3.5 Bi_0.89Tb_0.11Fe0₃薄膜的压电性能
• 6.4 小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 主要创新点
• 7.3 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录