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Bi_(3.15)Nd_(0.85)Ti_3O_(12)铁电薄膜的电畴结构及其翻转

作　者: 黄昊
导　师: 钟向丽
学　校: 湘潭大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 铁电薄膜 BNT PFM 电畴结构电畴翻转
分类号: TM221
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 45次
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内容摘要

铁电薄膜材料因其在非挥发性铁电随机存储器(FeRAM)方面的应用而受到了广泛的关注。Bi3.15Nd0.85Ti3O12 (BNT)铁电薄膜因其优异的抗疲劳性能、低的热处理温度、高的居里温度、大的剩余极化、不含有毒元素铅等特点,成为了应用于FeRAM的重要铁电材料。电畴作为铁电薄膜材料中各种物理现象和过程的基础,直接决定或影响着铁电薄膜的物理性能及应用。因此,对BNT铁电薄膜的电畴进行研究将有着十分重要的意义。本论文首先采用不同的制备方法和制备工艺制备了BNT铁电薄膜,然后观测了其电畴结构及其翻转行为,并研究了退火温度和退火气氛对BNT薄膜电畴结构、畴翻转等的影响。具体的工作和结果概括如下:1. BNT薄膜的制备、电畴结构及其翻转分别采用溶胶-凝胶(sol-gel)和脉冲激光沉积(PLD)方法制备了BNT铁电薄膜,利用X射线衍射仪(XRD)、原子力显微镜(AFM)、铁电分析仪和压电响应力显微镜(PFM)对所制备的薄膜的微观结构、铁电性能、电畴结构及其翻转进行了研究。结果表明,本实验中sol-gel法制备的BNT薄膜主要呈现出较强的(117)衍射峰,而PLD法制备的BNT薄膜却呈现出较强的(00l)衍射峰。Sol-gel和PLD法制备的BNT薄膜都观察到了清晰的电畴结构以及电畴的翻转,相比之下PLD法制备的薄膜的电畴结构更加清晰。通过对PLD法制备的BNT薄膜的PFM研究,发现其电畴的翻转行为主要受到晶界和内建电场的共同作用。2.退火温度对BNT薄膜电畴结构及其翻转的影响采用sol-gel法在不同退火温度下制备了BNT薄膜,并利用PFM技术研究了退火温度对BNT薄膜电畴结构及其翻转的影响。结果表明,随着退火温度的升高,BNT薄膜的畴壁密度逐渐变低,薄膜表面的压电响应信号逐渐均匀,相位的对比度逐渐加强,薄膜的翻转电压逐渐减小。结合XRD和AFM表征结果,分析认为这主要是由于退火温度的增加使薄膜结晶性能逐渐增强,进而使得BNT薄膜的性能得到提高所导致的。3.退火气氛对BNT薄膜电畴结构及其翻转的影响采用sol-gel法在不同退火气氛下制备了BNT薄膜,并研究了退火气氛对BNT薄膜电畴结构及其翻转的影响。XRD和AFM分析发现,随着退火气氛中氧成分含量的增加,BNT薄膜的结晶性逐渐提高,晶粒尺寸逐渐变大,剩余极化强度也逐渐增大。PFM分析发现,随着退火气氛中氧成分含量的增加,BNT薄膜具有更强的压电响应信号、更均匀的响应性能以及更加完全的畴翻转。研究结果表明,BNT薄膜中的氧空位浓度是影响其晶粒尺寸的主要因素,它在电畴翻转的过程中也起着非常重要的作用,低的氧空位浓度有利于BNT薄膜电畴的翻转。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-24
  1.1 铁电体简介  9-10
  1.2 铁电薄膜材料  10-13
    1.2.1 铁电薄膜材料概述  10-12
    1.2.2 应用于FeRAM的几种常用铁电薄膜材料  12-13
  1.3 铁电薄膜中电畴的介绍  13-16
  1.4 电畴的研究意义  16-17
  1.5 电畴的研究方法  17-20
    1.5.1 研究方法介绍  17-18
    1.5.2 PFM技术及发展现状  18-20
  1.6 铁电薄膜中电畴的PFM研究现状  20-23
  1.7 本论文的选题依据和主要内容  23-24
第2章 BNT薄膜的制备、电畴结构及其翻转  24-36
  2.1 引言  24
  2.2 BNT薄膜的sol-gel法制备及其电畴的观测  24-30
    2.2.1 Sol-gel法制备BNT薄膜的过程  24-26
    2.2.2 BNT薄膜的微观结构及性能表征  26-27
    2.2.3 BNT薄膜的电畴结构及其翻转  27-30
  2.3 BNT薄膜的PLD法制备及其电畴的观测  30-35
    2.3.1 PLD法制备BNT薄膜的过程  30
    2.3.2 BNT薄膜的微观结构及性能表征  30-32
    2.3.3 BNT薄膜的电畴结构及其翻转  32-35
  2.4 小结  35-36
第3章退火温度对BNT薄膜电畴结构及其翻转的影响  36-43
  3.1 引言  36
  3.2 不同退火温度的BNT薄膜的微观结构及性能表征  36-38
  3.3 不同退火温度的BNT薄膜的电畴结构及其翻转  38-42
  3.4 小结  42-43
第4章退火气氛对BNT薄膜电畴结构及其翻转的影响  43-51
  4.1 引言  43
  4.2 不同退火气氛的BNT薄膜的微观结构及性能表征  43-46
  4.3 不同退火气氛的BNT薄膜的电畴结构及其翻转  46-49
  4.4 小结  49-51
第5章总结与展望  51-52
  5.1 论文总结  51
  5.2 研究展望  51-52
参考文献  52-60
致谢  60-61
攻读硕士学位期间的论文发表情况  61

Bi_(3.15)Nd_(0.85)Ti_3O_(12)铁电薄膜的电畴结构及其翻转

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