文档介绍：华中科技大学
博士学位论文
钛酸铋系铁电薄膜材料改性研究
姓名:吴云翼
申请学位级别:博士
专业:凝聚态物理
指导教师:张端明
20080926
华中科技大学博士学位论文
摘要
V随着铁电存储器材料研究的深入,含铋层钙钛矿结构铁电薄膜(BLSF)近年来
引起了人们的极大兴趣。其中,Bi4Ti3O12(BTO)及其改性铁电薄膜是应用于铁电存
储器的最热点材料之一。
本文首先概述了铁电体的基本特性以及铁电薄膜在电存储器中的应用。BTO 被
认为是最具有应用前景的铁电材料之一。然而,剩余极化较小以及较差的抗疲劳特
性限制了其在工业中的广泛应用。针对 BTO 薄膜存在的主要问题,本文研究 A 位和
B 位掺杂以及 A/B 位共掺杂对 BTO 薄膜微结构和铁电性能的影响;在此基础上,考
虑到在薄膜高温制备中 Bi2O3 易挥发问题,通过增加 Bi2O3 过量的方法来研究
(BLT) 薄膜结构和铁电性能的变化规律;另外我们还研究缓冲层
对 BLT 薄膜晶粒取向和微结构的影响。研究结果获得了克服以上问题的优化工艺,
包括最佳 Bi2O3 过量值以及最佳的掺杂方式和掺杂量,并且发现缓冲层能够改善 BLT
薄膜的晶粒取向和漏电流特性。主要研究结果和结论如下:
将不同 Bi2O3 过量条件下制备的 BLT 薄膜在 600℃-800℃下进行后期退火。研究
结果显示:BLT 薄膜的极化行为同时受到退火温度和 Bi2O3 过量值的影响。由于适
当的 Bi2O3 过量能够补偿热处理过程的铋损失,从而可以提高 BLT 薄膜的极化和介
电特性;但是,加入过多的 Bi2O3 会形成杂相,反而会削弱 BLT 薄膜的极化和介电
特性。在所有 BLT 薄膜样品中, mol% Bi2O3 过量所制得的 BLT 薄膜表现出最大
的剩余极化值(2Pr) 和相对较小的矫顽电压(Vc) V,以及最大的
介电常数值 和较小的介电损耗 。同时, mol% Bi2O3 过量的 BLT 薄膜
表现出最好的抗疲劳特性,1×109 读/写转换周期后,样品只有 %的初始极化的退
化。
在不同温度下退火制备 A 位 Pr 掺杂 (BPT-)薄膜。在此基础
上,在 750℃下讨论退火时间不同对 BPT- 薄膜铁电特性的影响,从而确定最佳的
工艺参数。研究发现,当退火时间比较短的情况下(10 分钟),薄膜 XRD 图中衍射
峰强度相对较弱,峰也相对较宽,表明薄膜的结晶程度较低;随着退火时间的延长,
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衍射峰强度逐渐高,峰也变尖锐,表明 BPT- 薄膜结晶程度的提高。然而,当退火
时间超过 25 分钟,XRD 图中出现了杂相烧绿石相,这表明高温下过长时间的退火不
利于薄膜单相结晶。
溅射时基片温度的不同对薄膜的结晶取向也会产生影响。在不同基片温度
(500℃-750℃)下沉积 (BPT-)薄膜。研究发现当基片温度低于
650℃情况下,薄膜表现出(117)方向取向;随着基片温度的升高,(00l)系列的衍
射峰逐渐变强,并且当基片温度升高到 750℃,BPT- 薄膜表现出 c 轴优先取向。
制备 B 位 Zr 掺杂的 -xZrxO12(BLTZ-x,x=0、、、、
和 )薄膜。随着 Zr 掺量的增加,BLTZ 薄膜的剩余极化值逐渐增加,当 x=
时达到最大;然而随后随着 Zr4+掺量的继续增加,剩余极化值开始减小;不同 Zr 掺
量的 BLTZ 薄膜矫顽电压 Vc 没有明显的变化。疲劳特性测试表明,与没有掺杂的 BLT
薄膜相比,适当 Zr4+替代 Ti4+的 BLTZ- 薄膜表现出更好的抗疲劳特性。
利用固相反应法制备了 B 位 Mn 掺杂 -xMnxO12(BLTM-x,x = 、
、 和 )陶瓷。研究结果发现,随着 Mn 掺杂量的增大,BLTM 的居里温
度(Tc)逐渐降低;另一方面,BLTM 的剩余极化却逐渐增大,这可能是由于晶粒取
向变化和尺度的增大引起的。
研究发现,用 Pt 等金属作为衬底存在一些缺陷:一是容易在 BLT 薄膜和 Pt 界
面上由于晶格失配产生大的应力;二是高温处理中在薄膜和 Pt 界面间容易产生互扩
散。我们通过在 BLT 薄膜和 Pt 界面间加入一层缓冲层(Bi2O3