钛酸铋基铁电薄膜的取向控制与性能研究

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1、济南大学硕}j学位论文摘要钛酸铋(Bi4Ti3012，BTO)作为一种典型的铋系层状钙钛矿结构的铁电材料，具有优良的压电、铁电、热释电和电光等性能，在最近十年里成为广泛研究的热点之一。Bi4Ti3012的晶体结构是各向异性的赝立方结构，它的自发极化沿a轴和c轴相差很大，分别是509C／cm2和49C／cm2。此外，掺杂并不改变BTO薄膜的主极轴方向，因此制备a轴取向择优的钛酸铋基铁电薄膜是非常有意义的。最近人们研究发现，用三价稀土离子替代Bi4Ti3012中的A位可以提高其电学性能。替代后的薄膜具有更大的剩余极化，这使得Bi4Ti30

2、12更适合于在铁电存储器中的应用。然而目前对于A位掺杂的BTO薄膜掺量主要集中在0．85左右，并且其退火温度高达7500C，这样一个高温与集成电路工艺不匹配。从实际应用的角度来说，钛酸铋基铁电薄膜的沉积温度应该控制在6500C以下。而日本人TakayukiWatanabe等报道掺杂钛酸铋在掺量为0．26—0．35之间的剩余极化最大。考虑到降低薄膜的制备温度，并且得到较大的剩余极化，本论文利用溶胶．凝胶法在不同衬底上制备了Bi3．7Ndo．3Ti3012(BNT0．3)铁电薄膜，系统的研究了铋过量，单层厚度，衬底，退火温度等因素对薄膜取

3、向的影响。通过对BNT0．3薄膜X．ray衍射图谱，原子力显微图谱，扫描电镜图谱和电学性能测试的研究，得出了以下结论：1、对BNT0-3薄膜工艺的摸索、生长模式及形貌的分析，我们得出如下结论：(1)铋过量10％的前驱体溶液更易于制备a轴取向的BNT0．3薄膜；(2)旋涂过程中，薄膜单层厚度过厚或过薄都不利用BNT0．3薄膜a轴取向的生长；(3)ITO／glass氧化物衬底比Pt／Ti02／Si02／Si衬底更利于BNT0．3薄膜a轴取向的生长；(4)5500C和6000C均可以得到高度a轴取向择优的BNT0．3薄膜；(5)对于铋系层状

4、钙钛矿铁电薄膜的生长模式概括为：由于晶粒沿口(6)轴方向的生长速度比沿C轴方向要快得多，因此当采用层层退火的工艺条件时，口(6)轴取向的晶粒将会逐渐覆盖c轴取向晶粒的生长，从而得N(100)择优取向的薄膜。也就是说，a轴取向择优是铋系层状钙钛矿铁电薄膜的一种本征生长模式；(6)5500C退火条件下，制备了不同厚度的口轴取向择优的BNT0．3薄膜，薄膜晶粒较小，表面平整；(7)通过薄膜断面SEM图，可以清晰的分辨出BNT0．3薄膜层、ITO氧化物层和玻璃层。此外，薄膜表现出了柱状生长模式。III钛酸铋基铁电薄膜的取向控制弓忭能研究2、通

5、过对BNT0．3薄膜晶体结构及电学性能的研究，结果表明：(1)BNT0．3薄膜(200)衍射峰的相对强度随薄膜厚度的增加而增加；(2)BNT0．3薄膜的剩余极化和矫顽场均随薄膜厚度的增加而减小，这是因为薄膜存在部分老化；(3)6500C退火条件下制各的BNT0．3薄膜尽管其(200)衍射峰的相对强度不是最高，但是其剩余极化最大，达到38．2taC／cm2，这比目前报道的BNT0．85薄膜最大的剩余极化还大35％：(4)压电测试结果表明薄膜均可以均匀极化，且其压电信号随薄膜退火温度的升高而增强：(5)薄膜表现出了良好的抗疲劳性能和电荷保

6、持力。综上所述，我们的工作对钛酸铋基铁电薄膜的应用研究具有重要的意义。关键词：铁电薄膜；钛酸铋；溶胶．凝胶；晶体结构；电滞回线；压电性能IV济南大学硕}。学位论文ABSTRACTAsatypicalbismuth—layered-perovskitematerial，duetotheexcellentpiezoelectric，ferroelectricandphotoelectricproperties，Bi4Ti3012(BTO)isapromisingmaterialfortheapplicationsinthedynamicr

7、andomaccessmemory(DRAM)，ferroelectricrandomaccessmemory(FeRAM)，ferroelectricfieldeffecttransistor(FEFET)，SOithasattractedlotsofattentionduringthepastdecade．ItiswellknownthatBi4Ti3012hasallanisotropicpseudo—orthorhombicstructure，spacegroupB2cb，withthelatticeparametersofa

8、=O．541，b=0．544，andc=3．28011111．ThespontaneouspolarizationsofBTOareabout50and4}tC／cm2alongits口andcaxes，respecti