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退火温度对BENT薄膜铁电性能和残余应力的影响

作　者: 吴雄利
导　师: 郑学军
学　校: 湘潭大学
专　业: 物理电子学
关键词: 铁电薄膜 MOD 退火温度剩余极化强度残余应力
分类号: TB383.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

铋层状结构铁电体（BLSFs）铁电薄膜由于在铁电非挥发存储器、热释电器件以及压电器件领域具有非常大的应用前景,而成为国际功能材料领域的研究热点。它具有优良的压电、铁电、热释电和电光等性能,同时还具有较高的耐击穿强度和相对高的介电常数,可广泛应用于动态随机存储器（Dynamic Random Access Memory,DRAM）、铁电随机存储器（Ferroelectric Random Access Memory, FeRAM）、铁电场效应晶体管（Ferroelectric Field Effect Transistor,FeFET）、光存储器和光显示器等光电子器件。Bi4Ti3O12（BTO）是一种典型层状钙钛矿结构的铁电材料,但是它的剩余极化强度不高和抗疲劳性差。人们通过掺杂方法能够改善铁电薄膜材料的电学性质,但是并不是任意元素掺杂都会得到好的效果,科学家们尝试用不同的元素掺杂的方法,制备出不同种类的BTO基铁电薄膜材料,希望寻求到能够满足实际生产需要的铁电薄膜材料器件。本论文所做实验中,制备出了高极化率的铁电薄膜。在退火温度600、650、700和750°C下,通过金属有机物分解（MOD）法,制备了四组双A位掺杂Bi3.15（Eu0.7Nd0.15）Ti3O12（BENT）铁电薄膜。主要研究了退火温度对其电学性能和残余应力的影响。本论文的主要内容如下:（1）在不同退火温度600、650、700和750°C下,所有经退火的样品,薄膜表面无裂纹,为多晶铋层状钙钛矿相且没有任何焦绿石相出现,Eu和Nd的掺杂也没有影响薄膜的微观晶体结构。所有BENT铁电薄膜中,退火温度为650°C的样品的铁电性能最佳,在260 KV/cm电场强度下,2Pr为最大103μC/cm²;在频率为200 KHz下,介电常数εr为最大1046;在225 KV/cm电场强度下,漏电流J为最低1.15×10^-8 A/cm²。结果表明:适合的退火温度将会影响双掺杂BENT铁电薄膜中Bi的含量。Bi过量将会导致自由空穴、离子和电子缺陷过多,造成薄膜内部对称结构和不对称结构中局域电子态的差异,Bi蒸发导致的Bi含量不足和高温致使铁电薄膜器件结构缺陷,阻止极化翻转。运用位移效应原理,对A位双掺杂改善铁电材料性能理论进行了合理解释。（2）残余应力是影响薄膜力学性能的重要因素,残余应力达到一定程度将会引起薄膜/基底构件的失效。本论文主要介绍采用X射线衍射技术,采用传统sin2ψ法四点法测量BENT了铁电薄膜中的残余应力,并讨论了退火温度对残余应力的影响,以及残余应力与剩余极化强度之间的关系。在一定退火温度范围内,BENT薄膜的残余压应力随着退火温度增加而减小,而薄膜的剩余极化强度随之增强。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-18
  1.1 铁电材料  9-11
    1.1.1 铁电材料的特点  9-10
    1.1.2 铁电材料的发展简史及其应用  10-11
  1.2 铁电薄膜制备及其电学的表征参数  11-14
    1.2.1 铁电薄膜制备  11-12
    1.2.2 掺杂改性  12-13
    1.2.3 铁电薄膜电学的表征参数  13-14
  1.3 铁电薄膜的应力及残余应力  14-16
    1.3.1 铁电薄膜的应力及残余应力研究现状  14-15
    1.3.2 残余应力的测试方法  15-16
    1.3.3 残余应力与铁电薄膜铁电性能的关系  16
  1.4 退火温度对铁电薄膜性能的影响  16
  1.5 本文选题依据和主要工作  16-18
    1.5.1 本文的选题依据  16-17
    1.5.2 本文的主要工作  17-18
第2章 BENT 铁电薄膜的制备及表征  18-24
  2.1 MOD 法制膜方法简介  18
  2.2 MOD 法制膜所需的仪器及环境要求  18-19
    2.2.1 制膜所需的仪器  18-19
    2.2.2 制膜的环境要求  19
  2.3 实验材料  19-20
    2.3.1 衬底的选取和清洗处理  19
    2.3.2 配液所需的化学药品  19-20
  2.4 MOD 法制备薄膜的工艺过程  20-22
    2.4.1 前驱体溶液的配置流程  20
    2.4.2 薄膜制备的工艺流程  20-21
    2.4.3 薄膜样品顶电极的制备  21-22
  2.5 铁电薄膜的表征方法  22-23
    2.5.1 薄膜微观结构的表征方法  22
    2.5.2 铁电薄膜电学性能的表征方法  22-23
  2.6 本章小结  23-24
第3章退火温度对BENT 铁电薄膜微观结构及电性能影响  24-33
  3.1 引言  24
  3.2 不同退火温度BENT 铁电薄膜的微结构与成分  24-27
    3.2.1 XRD 结构分析  24-25
    3.2.2 SEM 测试形貌分析  25-26
    3.2.3 EDS 成分测试分析  26-27
  3.3 BENT 铁电薄膜的电学特性测试  27-30
    3.3.1 不同退火温度BENT 铁电薄膜的电滞回线  27-28
    3.3.2 退火温度对BENT 铁电薄膜漏电流的影响  28-29
    3.3.3 退火温度对BENT 铁电薄膜介电性能的影响  29-30
  3.4 剩余极化强度增强的机理  30-31
    3.4.1 掺杂离子浓度的影响机制  30
    3.4.2 基于位移效应的共掺机理  30-31
  3.5 本章小结  31-33
第4章 BENT 铁电薄膜残余应力的XRD 测试  33-42
  4.1 薄膜的杨氏模量测试  33-35
    4.1.1 杨氏模量测量原理  33-34
    4.1.2 弹性模量和硬度测量结果  34-35
  4.2 残余应力测试  35-38
    4.2.1 残余应力测试方法原理  35-37
    4.2.2 BENT 铁电薄膜四点法XRD 谱  37-38
  4.3 退火温度对BENT 铁电薄膜残余应力影响的机理分析  38-41
  4.4 本章小结  41-42
第5章总结和展望  42-44
  5.1 论文总结  42
  5.2 论文展望  42-44
参考文献  44-48
致谢  48-49
攻读学位期间发表的论文及参与的会议  49

退火温度对BENT薄膜铁电性能和残余应力的影响

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