Bi3.15Nd0.85Ti3O12铁电薄膜成分纵深分布及掺杂改性研究

论文摘要

上世纪90年代以后,随着微电子技术和计算机工业迅速的发展,具有高存储密度和存取速度、抗辐射、非挥发等特点的铁电薄膜存储器受到了人们的广泛关注。锆钛酸铅（PZT）系铁电材料具有一系列良好的性能,如较大的剩余极化值、较低的热处理温度等,是目前铁电存储器所用的主要材料。然而,PZT薄膜存在一些致命的缺点,如在金属电极上抗疲劳性能差,含有毒元素Pb等。在越来越重视环境保护的时代,寻求新的无铅铁电材料来取代PZT变得尤为重要。Bi3.15Nd0.85Ti3O12（BNT）铁电薄膜由于不含铅、结晶温度较低、剩余极化较大、抗疲劳性能好,被认为是最有希望取代PZT材料而应用于非挥发性铁电存储器的铁电薄膜材料。本文通过实验制备了BNT无铅铁电薄膜,详细研究了BNT薄膜组分沿薄膜纵深的分布及其化学态,同时研究了B位Zr掺杂对BNT薄膜性能的影响。具体如下:首先采用化学溶液沉积法（CSD）在Pt（111）/Ti/SiO2/Si（100）基片上制备了BNT无铅铁电薄膜,并借助X射线衍射仪、原子力显微镜、X射线光电子能谱仪和铁电分析仪分别测试和分析了薄膜的成分、形貌、元素的纵向分布及化学态和电学性能。分析结果表明,所制的薄膜为铋层状钙钛矿结构多晶BNT薄膜,表面致密、无裂纹、无孔洞。BNT薄膜组分沿纵向分布明显不均匀,主要形成三个区域,即表面层、中间层和界面层。其中,在薄膜表面有大量铋元素积聚,而且薄膜表面层的成分主要是以金属氧化物的形式存在;铁电薄膜与Pt下电极之间形成厚度大约为50nm的界面层,这主要是由于BNT薄膜与Pt下电极相互热扩散造成的,同时在扩散的过程中,有少量Pt的化合物生成;薄膜中间层元素分布比较均匀。另外,采用CSD法在Pt（111）/Ti/SiO2/Si（100）基片上制备了Zr离子掺杂的BNT (Bi3.15Nd0.85Ti3-xZrxO12, BNTZx)铁电薄膜,并研究了Zr离子掺杂浓度x对薄膜的微观结构、铁电性能、I-V特性和居里温度的影响。研究结果表明:少量的Zr离子掺杂基本没有影响BNT薄膜的铋层状钙钛矿晶体结构;BNTZ薄膜的颗粒直径大约为150-250nm;随着Zr离子掺杂浓度的增加,薄膜表面粗糙度和剩余极化分别减小和增大,而当掺杂浓度增加到一定量时,薄膜表面粗糙度和剩余极化又分别增大和减小,掺杂量x为0.1时,薄膜具有最平整光滑的表面和最大的剩余极化强度（2Pr为52.7μC/cm2）;薄膜漏电流随着Zr掺杂浓度的增加而明显减小,当掺杂量x为0.2时,在高电压区域（高于3 V）,BNTZ0.2薄膜的漏电流相对BNT薄膜的漏电流低四个数量级;B位Zr离子掺杂几乎没有改变BNT薄膜的居里温度,薄膜居里温度约为450℃。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 铁电体的发展历程
• 1.2 铁电薄膜概述
• 1.2.1 铁电薄膜简介
• 1.2.2 铁电薄膜材料
• 1.2.3 铁电薄膜制备技术
• 1.3 铁电存储器简介
• 1.3.1 铁电存储器的基本结构形式
• 1.3.2 铁电存储器现状
• 1.4 本文的选题依据和主要研究内容
• 1.4.1 选题依据
• 1.4.2 主要研究内容
• 第二章 BNT 铁电薄膜的制备和测试
• 2.1 引言
• 2.2 CSD 法制备薄膜的基本原理与所用设备
• 2.2.1 Sol-Gel、MOD 和CSD 薄膜制备方法简介
• 2.2.2 CSD 法制备薄膜的基本原理
• 2.2.3 CSD 法制备薄膜所用设备
• 2.3 实验材料
• 2.3.1 基片的选取和处理
• 2.3.2 化学药品和试剂
• 2.4 BNT 铁电薄膜的制备工艺过程
• 2.4.1 前驱体溶液的配制
• 2.4.2 薄膜制备的工艺流程
• 2.5 薄膜的测试与分析
• 2.5.1 微观结构
• 2.5.2 电学性能
• 第三章 BNT 铁电薄膜组分纵向分布及化学态
• 3.1 引言
• 3.2 薄膜物相分析
• 3.3 BNT 薄膜的表面形貌
• 3.4 BNT 薄膜的铁电性能
• 3.5 BNT 薄膜的元素纵向分布
• 3.6 BNT 薄膜表层元素分布及化学态
• 3.7 BNT/Pt 界面层元素分布及化学态
• 3.8 本章小结
• 第四章 Zr 离子掺杂对BNT 铁电薄膜性能的影响
• 4.1 引言
• x 薄膜的制备'>4.2 BNTZ_x薄膜的制备
• x 薄膜的微观结构'>4.3 BNTZ_x薄膜的微观结构
• x 薄膜的铁电性能'>4.4 BNTZ_x薄膜的铁电性能
• x 薄膜的I-V 特性'>4.5 BNTZ_x 薄膜的I-V 特性
• x 薄膜的居里温度'>4.6 BNTZ_x薄膜的居里温度
• 4.7 本章小结
• 第五章 工作总结与展望
• 5.1 论文总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间公开发表的论文