掺杂钛酸锶钡薄膜的制备与电性能的研究

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1、武汉理工大学博士学位论文摘要(Sr，Ba)TiO。薄膜在DRAM、相位移器等领域的应用前景己成为国内外材料研究的主要领域之一。本文以Ba(Ac)。、Sr(Ac)。·煳。0和Ti(oC。H。)。为主要前驱化合物，研究了sol-gel技术制备薄膜的工艺参数、结构与性能的关系。冰醋酸、无水乙醇作为溶剂，其用量分别为10～20ml，丙三醇和乙酰丙酮0．5～2mi分别作为表面活性剂和螯合剂时，制得溶胶的PH值为3～4，粘度为3cp～6cp，浓度为0．3～0．4mol／L。当均胶速率为3500r／min，时间为30s时，均胶三层的薄膜厚度为450nm。

2、当升／降温速率为0．5～l℃／min，保温时间为1小时，薄膜表面颗粒分布均匀，无裂纹。Pt／Ti02／SiO。／Si(100)结构稳定了Pt电极，避免了电极的剥落。乙酰丙酮是较理想的螯合剂，它能使钙钛矿的形成温度降低到624。C，其机理为溶胶中的乙酰丙酮由酮式向烯醇式异构体的转变，容易地与Ti(COC。H。)。螯合形成网络结构，而Ba”、Sr“等离子能均匀的分布在此网络中，热分解时金属离子能够均匀地分布，避免了某些阳离子的富集，利于晶相的形成，晶粒能够均匀地长大，其平均粒径为80nm。当薄膜的退火温度为750℃、厚度为450nm时，表现出较

3、好的电性能。SrTi03和BaTi03具有不同的居里温度点，可以通过调整Sr／Ba的比例改变SBT薄膜的居里温度点，获得最大的介电常数。在相同测试频率(1KHz)下，在低阻硅(3～6Qcm)基片上制备的薄膜，Sr／Ba比为0．5(№)时，Sr。。BaojTi03薄膜相对于其它Sr／Ba比的薄膜而言，其相对介电常数er最大(￡r---一78)，介质损耗tan6最小(tan6=0．057)，最大介电常数温度点Tm为305K；但当同样Sr／Ba=O．5的薄膜在高阻硅(3000Qcm)基片上生成时，er和tan6分别为100．54和0．060，Tm

4、为308K，其性能远优于低阻硅基片上生长的薄膜。在两种基片上沉积的薄膜均具有良好的介频特性。微量元素铋、钇(其掺量范围分别为0．000～0．030m01)和铌(其掺量范围为0．000～0．0412m01)均降低了SBT薄膜的介质损耗tan6，且随着微量元素添加量的增加，最大介电常数温度点Tm逐渐移向低温，介电常数峰的半高宽增武汉理工大学博士学位论文加，峰高降低，呈现较强的弥散相变特征。只有当适量的微量元索存在时，薄膜的介电常数得到明显的提高，例如当测试频率为IKHz，y元素的理想掺量为0．015mol时，薄膜Sr。5B乱mY。。。sTi03

5、的er和tan6分别为74．2和0．067，均优于其它Y掺量的薄膜。Nb大大的降低了薄膜的Tm温度和介质损耗，例如0．0412moi的Nb元素使Sr。。Bm．5TiO。薄膜的Tm从305K降低到277K，tan6从0．09降低到0．067。微量元素取代Ba”或Ti4+后形成了不同的缺陷类型及浓度，影响了退火处理时离子的扩散速率、晶粒的生长以及偶极子的形成及极化，呈现出性质的差别。SBT薄膜中铁电畴结构即非90。也非1800，其畴宽度约为I～3nm。随Bi含量的增加Sr。；Ba0．5--xBi，TiO。薄膜的电滞回线矩形度增大，当Bi元素含量

6、为0．015mol，测试条件为100Hz、20V时，薄膜Sr。。B矾。。BiO．Ot5TiO。的剩余极化强度Pr为0．22uC／cm2，饱和极化强度Ps为0．32pC／cm2，矫顽场为60KV／cm。采用SEM、EDS、TEM、HRTE}d测试手段研究了薄膜的表面、断面结构、Ti”、Ba“、sr”元素的线分布以及颗粒的大小、晶格条纹、品界结构。当Sr／Ba比为0．5时，即SrⅡ。B函．；TiO。薄膜表面平整、无裂纹、颗粒分布均匀，其粒径为80--lOOnm。掺加少量的铋元素后，存在某些晶粒的异常长大现象，使得其尺寸分布较宽，例如sr。Ba0

7、．。Bi仉叭JiO。(B。)薄膜的颗粒尺寸在50～llOnm范围内，平均尺寸约为80nm。y3+和Nb”离子的存在将使薄膜中的晶粒颗粒减少，例如Sr。。Bao。∞Yoo．TTiO。和sr。B矾。Ti㈣。Nb(}．0412TiO。薄膜的粒径分别为70hm和60nm。在高阻硅(3000Qcin)基片上沉积的薄膜，颗粒排列紧密，小空洞较少。不论是否存在微量元素，结构中均存在着共格晶界、非共格晶界，晶粒的生长取向存在着定向和非定向两种类型。薄膜的断面形貌清晰、厚度均匀。根据断面上sr”、Ba”和Ti”离子的分布规律，可求得薄膜的厚度约为450hm。

8、SBT薄膜的矿物相为四方钙钛矿结构，但随着组成中Ba”离子摩尔含量的增加，sr。一xBa,Ti03的钙钛矿特征衍射面(110)及四方晶系的特征衍射面(200)和(002)衍射强度