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LaNiO_3缓冲层对钙锶铋钛陶瓷膜晶粒取向的影响

作　者: 于冉
导　师: 范素华
学　校: 山东建筑大学
专　业: 材料学
关键词: 钙锶铋钛 铁电薄膜 镍酸镧 缓冲层 溶胶-凝胶 铁电性能 热处理
分类号: TQ174.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 22次
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内容摘要


铋层状铁电材料(Bismuth Layer-structured Ferroelectrics, BLSFs)因具有较大的剩余极化强度Pr,较低的矫顽场Ec以及抗疲劳性能好等优点,成为非挥发性铁电随机存储器(NonvolatileRandom Access Memory, NVFeRAMs)影研究的主要材料。BLSFs的化学通式为(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-,其中(Bi2O2)2+为层状结构,(Am-1BmO3m+1)2为类钙钛矿结构,层状结构(Bi202)2+(简称铋层)与类钙钛矿结构层(以氧八而体B06为标志)交替排列,A一般为+1,+2或者+3价离子,B为+3,+4或者+5价离子,m为类钙钛矿层(氧八面体BO6)的个数。一种典型的铋层状钙钛矿结构铁电材料SrBi4Ti4O15(SBTi),有着较大的剩余极化强度和较好的抗疲劳性能,但是其居里温度(520℃)较低,限制了它在高温高压装置上的应用。CaBi4Ti4O15(CBTi)是与SBTi结构相同的铋层状钙钛矿结构铁电材料,其突出的优点恰是居里温度较高(790℃)。为此,本课题组对SBTi铁电薄膜进行了Ca2+取代改性研究,结果表明,Ca2+取代Sr2+量为0.4时,即Ca0.4Sr0.6Bi4Ti4O15(简称Ca0.4Sr0.6BTi)薄膜样品的铁电性能良好。LaNiO3(简称LNO)薄膜,且具有良好的化学和热稳定性。其品格常数为0.384nm,与大多数铁电薄膜的品格常数相近,特别是具有赝立方结构,可以和具有钙钛矿结构的铁电材料较好地实现晶格匹配。因此LNO薄膜在作为铁电薄膜底电极方面的应用具有广阔前景。本文以LNO薄膜及Ca0.4Sr0.6BTi/LNO薄膜取为研究对象进行了系统的探讨和研究,并取得了一些有意义的结果。首先利用溶胶-凝胶法在Si(100)基片上制备了LNO氧化物导电薄膜。研究了前躯体浓度、热分解温度、退火温度、退火时间、薄膜厚度等不同工艺条件对LNO薄膜结构和导电性的影响,总结了制备具有(110)择优取向且电阻率较低的LNO薄膜最佳制备工艺条件为：前躯体浓度为0.2mol/L,热分解温度为350℃、退火温度为750℃,退火时间600s,厚度为250nm。SEM照片表明LNO薄膜表面致密平整,没有裂纹等缺陷,为后续的Ca0.4Sr0.6BTi薄膜的生长提供了平滑的界面。同时发现,LNO薄膜与Si在晶格上存在一种匹配关系：{LNO[110]//Si[100]}。其次在LNO缓冲层上制备了Ca0.4Sr0.6BTii薄膜样品。研究了不同LNO制备工艺条件对Ca0.4Sr0.6BTi铁电薄膜的影响。研究发现,Ca0.4Sr0.6BTi薄膜并没有因LNO缓冲层的引入而产生杂相,得到的仍为纯铋层状钙钛矿结构,薄膜样品呈a取向择优。同时发现,LNO薄膜与Si在晶格上存在一种匹配关系：{LNO[110]//Ca0.4Sr0.6BTi[100]}。探讨了LNO缓冲层厚度对Ca0.4Sr0.6BTi薄膜结构和性能的影响,发现当引入的LNO缓冲层厚度为250nm时,Ca0.4Sr0.6BTi薄膜I(200)/I(119)为1.2,介电常数(εr)为230,损耗因子(tanδ)为0.068,剩余极化强度(Pr)为17.5μC/cm2,对应矫顽电场(Ec)为84.6kV/cm。最后研究了匀胶速度、热分解温度与热处理温度对Ca0.4Sr0.6BTi/LNO薄膜取向和性能的影响。用X射线衍射表征了薄膜的晶体结构,用扫描电镜观察了样品显微形貌。根据实验结果和分析,得出制备a轴择优的Ca0.4Sr0.6BTi/LNO薄膜的优化热处理工艺条件为：匀胶速度4000r/min,热分解温度400℃,退火温度为725。C。所制备的a择优取向的Ca0.4Sr0.6BTi/LNO薄膜样品结晶良好,I(200)/I(119)为1.5,晶粒多呈球状。电性能测试结果显示剩余极化强度较高,Pr为19.4μC/cm2,对应矫顽电场为50kV/cm,介电常数为249,表现出良好的电学性能。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第1章 绪论  10-24
  1.1 铁电材料  10-12
  1.2 铁电材料的分类  12-15
  1.3 铁电薄膜的发展  15
  1.4 铁电薄膜的应用  15-17
  1.5 铁电薄膜的制备技术  17-19
  1.6 铋层类钙钛矿结构铁电薄膜的研究现状  19-21
  1.7 课题研究对象的选择和课题研究的主要内容  21-24
第2章 实验方案设计和研究方法  24-29
  2.1 原料及有关仪器设备  24-25
  2.2 溶胶-凝胶法制备薄膜  25-27
  2.3 薄膜表征方法  27-29
第3章 LaNiO_3(LNO)薄膜的特性研究  29-38
  3.1 前躯体溶液浓度对LNO薄膜的影响  29-31
  3.2 热分解理温度对LNO薄膜的影响  31-32
  3.3 退火温度对LNO薄膜的影响  32-33
  3.4 退火时间对LNO薄膜的影响  33-34
  3.5 厚度对LNO薄膜的影响  34-36
  3.6 LNO薄膜的SEM分析  36-37
  3.7 LNO(110)薄膜与Si(100)的晶格失配关系  37
  3.8 本章小结  37-38
第4章 LNO制备工艺对Ca_(0.4)Sr_(0.6)BTi薄膜的影响  38-46
  4.1 LNO(110)薄膜与Ca_(0.4)Sr_(0.6)BTi薄膜的晶格失配关系  38
  4.2 LNO的浓度对Ca_(0.4)Sr_(0.6)BTi薄膜的影响  38-39
  4.3 LNO的热分解温度对Ca_(0.4)Sr_(0.6)BTi薄膜的影响  39-40
  4.4 LNO的退火温度对Ca_(0.4)Sr_(0.6)BTi薄膜的影响  40
  4.5 LNO的厚度对Ca_(0.4)Sr_(0.6)BTi薄膜的影响  40-44
  4.6 本章结论  44-46
第5章 热处理工艺对Ca_(0.4)Sr_(0.6)BTi/LNO薄膜的影响  46-58
  5.1 热处理温度的初步确定  46-47
  5.2 匀胶速度对Ca_(0.4)Sr_(0.6)BTi/LNO薄膜的影响  47-48
  5.3 热分解理温度对Ca_(0.4)Sr_(0.6)BTi/LNO薄膜的影响  48-50
  5.4 退火温度对Ca_(0.4)Sr_(0.6)BTi/LNO薄膜的影响  50-54
  5.5 a择优取向的Ca_(0.4)Sr_(0.6)BTi/LNO薄膜热处理工艺优化及表征  54-57
  5.6 本章结论  57-58
第6章 结论  58-60
  6.1 主要成果  58-59
  6.2 进一步解决的问题  59-60
参考文献  60-66
后记  66-67
攻读硕士学位期间论文发表及科研情况  67

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 硅酸盐工业 > 陶瓷工业 > 基础理论
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