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镧与锰掺杂铁酸铋铁电薄膜的制备工艺与性能研究

作　者: 杨松波
导　师: 唐明华
学　校: 湘潭大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 化学溶液沉积法 Bi0.9La0.1Fe0.95Mn0.05O3薄膜 热处理 复合 铁电性能
分类号: TM221
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


无铅BiFeO3 （BFO）铁电薄膜是在室温下唯一同时具有铁电性和G型反铁磁性的多铁性材料,它属于R3c点群（a = 5.36 （A|°）,α= 59.348°）,具有扭曲的菱方相钙钛矿结构。BFO薄膜具有较大的剩余极化,较高的居里温度（TC = 1103 K）和奈尔温度（TN = 643 K）,这使它成为高密度非挥发性铁电随机存储器和其它诸如传感器、微波调制器、红外探测器等应用方面具有潜力的物质。本工作采用化学溶液沉积法（CSD）在Pt（111）/Ti/SiO2/Si（100）基片上制备了Bi0.9La0.1Fe0.95Mn0.05O3 （BLFMO）薄膜,对不同实验参数如前驱溶液、掺杂、退火方式、热处理温度、升温速率等对铁电薄膜的进行了讨论,并对以上薄膜样品进行微结构及铁电性能的测试。通过对BLFMO铁电薄膜测试结果的分析,我们得到了较好的制备工艺:溶质为硝酸铁和硝酸铋等,溶剂采用乙二醇甲醚、乙二醇及乙酸酐,三者体积比为12:6:1,然后依次匀胶（3500 r/min）、热解（420℃、5min）、退火（6℃/s、550℃、10 min）,重复9次,最后终退（550℃、20 min）,以促使薄膜完全结晶化,薄膜厚度大约为300 nm。测试结果表明:薄膜无杂相、结晶度比较好、具有较大的剩余极化值（21μC/cm2 @ 266 kV/cm）和比较大的漏电流(7×10-3 A/cm2 @ 6 V)。在不同实验条件下,BFO薄膜的铁电性能的比较结果是:La掺杂BFO薄膜优于纯的BFO薄膜;逐层退火（SLA）的薄膜优于一次性退火（CA）的薄膜;热处理温度为420℃的薄膜优于350℃和400℃的薄膜;升温速率为6℃/s的薄膜优于55℃/s的薄膜。为减少薄膜的漏电流并且提高剩余极化,我们制备了Bi3.4Ce0.6Ti3O12 （BCT）薄膜以及BLFMO/BCT复合薄膜。微结构及性能的测试结果表明,BCT铁电薄膜具有（117）和（00l）双择优取向和较好的结晶度,纯相的BCT铁电薄膜具有较大的剩余极化（13μC/cm2 @ 333 kV/cm）和较低的漏电流密度(2.5×10-5 A/cm2 @ 6 V)。另外BLFMO/BCT复合薄膜具有之前两种样品拥有的所有特征峰,相对于BLFMO有很大的铁电性能的提高（24μC/cm2 @ 333 kV/cm）,尤其是漏电流的减小(1.8×10-4 A/cm2 @ 6 V)让它接近了应用的要求。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-22
  1.1 铁电存储器  9-12
  1.2 铁电材料  12-18
    1.2.1 铁电材料及其结构  12-13
    1.2.2 铁电薄膜的应用  13-14
    1.2.3 极化机制及铁电特性  14-16
    1.2.4 多铁性材料  16-18
  1.3 BiFeO_3 及其研究进展  18-20
    1.3.1 BiFeO_3 的结构与性能  18-19
    1.3.2 BiFeO_3 的研究进展  19-20
  1.4 研究目的及主要内容  20-22
第2章 CSD 法制备铁酸铋铁电薄膜  22-37
  2.1 铁电薄膜的制备工艺与表征方法  22-30
    2.1.1 铁电薄膜制备工艺简介  22-24
    2.1.2 实验药品与仪器  24
    2.1.3 电极的选取及清洗  24-26
    2.1.4 制备BiFeO_3 薄膜的流程  26-27
    2.1.5 制备Bi_(3.4)Ce_(0.6)Ti_3O_(12) 薄膜的流程  27-28
    2.1.6 薄膜的分析与表征方法  28-30
  2.2 CSD 法制备BiFeO_3 铁电薄膜的工艺探索  30-36
    2.2.1 BiFeO_3 铁电薄膜的前驱体溶液配置方案的确定  31-32
    2.2.2 掺杂对BiFeO_3 薄膜铁电性能的影响  32-33
    2.2.3 逐层退火对La 掺杂BiFeO_3 薄膜铁电性能的影响  33-35
    2.2.4 Bi_(0.9)La_(0.1)Fe_(0.95)Mn1_(0.05)O_3 原粉的热失重分析  35-36
  2.3 本章小结  36-37
第3章 热处理对La 与Mn 共掺杂BiFeO_3铁电薄膜性能的影响  37-45
  3.1 不同温度热处理对铁电薄膜性能的影响  37-42
    3.1.1 BLFMO 薄膜的结构分析  37-39
    3.1.2 BLFMO 薄膜的电学性能  39-42
  3.2 不同升温速率对铁电薄膜性能的影响  42-44
    3.2.1 BLFMO 薄膜的结构分析  42-43
    3.2.2 BLFMO 薄膜的电学性能  43-44
  3.3 本章小结  44-45
第4章 BCT/BLFMO 复合铁电薄膜的性能分析  45-52
  4.1 Bi_(3.4)Ce_(0.6)Ti_3O_(12) 薄膜及其性能表征  45-48
    4.1.1 引言  45
    4.1.2 BCT 原粉的热失重分析  45-46
    4.1.3 BCT 铁电薄膜的结构分析  46-47
    4.1.4 BCT 铁电薄膜的电学性能  47-48
  4.2 BCT/BLFMO 复合铁电薄膜的性能表征  48-51
    4.2.1 BCT/BLFMO 复合薄膜的结构分析  48-49
    4.2.2 BCT/BLFMO 复合薄膜的电学性能  49-51
  4.3 本章小结  51-52
第5章 总结与展望  52-54
  5.1 总结  52-53
  5.2 展望  53-54
参考文献  54-60
致谢  60-61
攻读硕士学位期间发表的论文与专利  61

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电工材料 > 强性介质和压电介质 > 铁电体、铁电晶体
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