力/电作用下BDT和NBT-KBT铁电薄膜畴翻转的实验研究

论文摘要

目前,制备非挥发性铁电存储器所用的铁电薄膜材料体系主要还是锆钛酸铅（PZT）系列,这是因为PZT铁电薄膜具有良好的铁电性能,如较大的剩余极化（2Pr）值以及具有较低的热处理温度等。可是PZT铁电薄膜由于含铅,有较大的毒性是它的一个致命的弱点。因此开发一类新的无铅铁电材料来取代PZT铁电薄膜是非常有必要。稀有金属离子掺杂钛酸铋(Bi4Ti3O12, BIT)铁电薄膜,具有结晶温度较低、抗疲劳特性较好、自发极化较大的特点;钛酸铋钠(Na0.5Bi0.5TiO3, NBT)具有强铁电性和较高的居里温度,可引入其他相结构而降低其漏电和矫顽场。这两种无铅铁电薄膜材料有望成为新的铁电存储器专用材料。铁电畴翻转是铁电材料产生电滞回线和蝶形曲线的源动力,是引起铁电材料非线性变化的根本原因。探求铁电畴翻转行为是铁电薄膜材料的研究基础。而引起铁电畴翻转的原因有很多种,主要有外加应力和极化电场等。扫描探针显微镜（Scanning force microscopy, SFM）是研究铁电薄膜纳米级电畴结构和动态翻转的一种非常有力的手段。本文主要采用SFM技术在不同外加力电场作用下,对掺镝（Dy）离子的BIT无铅铁电薄膜Bi3.15Dy0.85Ti3O12（BDT）和NBT与钛酸铋钾(K0.5Bi0.5TiO3,KBT)二元系固溶体（1-x）Na0.5Bi0.5TiO3-xK0.5Bi0.5TiO3（NBT-KBT）无铅铁电薄膜的畴翻转进行研究。主要内容如下:（1）通过SFM的探针对BDT铁电薄膜施加不同的外加力载荷和极化电压,并实时观测其在不同的外加力载荷和极化电压下铁电畴的翻转,并对畴翻转机理进行讨论和解释。在外加力的作用下,BDT铁电薄膜的电畴发生了翻转,翻转方向与SFM扫描的方式有关。当扫描方式为“之”字形时,主要发生了由±90°畴翻转成0°畴的90°畴变。而在单向扫描时,主要发生了由0°畴翻转成90°畴的90°畴变。而在外加电场下,电畴主要向与外加极化电场相同的方向翻转,但是由于晶界效应和内建电场的产生,导致部分畴向与外加极化电场相反的方向翻转。而在同时施加外加电压和力载荷时,外加电压主要导致180°畴翻转,而外加力载荷主要导致90°畴翻转。（2）通过SFM的探针对NBT-KBT铁电薄膜施加不同的外加力载荷和外加极化电压,为了与BDT进行对比,所施加的力电大小相等。NBT-KBT与BDT铁电薄膜施加相同外力和相同的扫描方式时,也发生了即0°畴向90°畴翻转的90°畴变。但是,NBT-KBT铁电薄膜的晶粒形变非常明显,而BDT晶粒的形变非常小。这可能跟材料有关,BDT是单一化合物组成的铁电薄膜,而NBT-KBT铁电薄膜是由NBT与KBT组成的二元系固溶体,在外加力时晶粒变形严重,从而导致了畴翻转。在外加极化电压时,翻转的情况与BDT铁电薄膜的外加电场下畴翻转相似。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 铁电材料
• 1.1.1 铁电材料发展史
• 1.1.2 钙钛矿铁电材料研究现状
• 1.2 铁电薄膜的制备和应用
• 1.2.1 铁电薄膜制备技术
• 1.2.2 铁电薄膜的性质和应用
• 1.3 铁电薄膜微结构与铁电性能的测试方法
• 1.3.1 XRD 晶体微结构的表征方法
• 1.3.2 表面形貌的FE-SEM 表征方法
• 1.3.3 电滞回线测试方法
• 1.4 铁电电畴与观测方法
• 1.4.1 电畴的定义
• 1.4.2 铁电畴的观测方法
• 1.4.3 扫描力显微镜及工作原理
• 1.5 论文的选题依据和主要内容
• 1.5.1 本文的选题依据
• 1.5.2 本文的主要工作
• 第2章 BDT 与NBT-KBT 铁电薄膜的制备及表征
• 2.1 BDT 铁电薄膜的制备
• 2.1.1 实验设备和材料
• 2.1.2 BDT 铁电薄膜的制备
• 2.2 NBT-KBT 铁电薄膜的制备
• 2.2.1 NBT-KBT 铁电薄膜前驱体溶液的配制
• 2.2.2 NBT-KBT 铁电薄膜制备流程
• 2.3 BDT 与NBT-KBT 薄膜性能测试与分析
• 2.3.1 BDT 与NBT-KBT 铁电薄膜的晶体结构
• 2.3.2 BDT 和NBT-KBT 铁电薄膜表面形貌分析
• 2.3.3 BDT 和NBT-KBT 铁电薄膜三维形貌表征与分析
• 2.4 BDT 和NBT-KBT 铁电薄膜的铁电性能
• 2.4.1 BDT 铁电薄膜的P-E 曲线
• 2.4.2 NBT-KBT 铁电薄膜的P-E 电滞回线
• 2.5 本章小结
• 第3章 不同外场作用下BDT 铁电薄膜的畴翻转
• 3.1 外加力下BDT 铁电薄膜的畴翻转
• 3.1.1 BDT 铁电薄膜的原始畴观测
• 3.1.2 不同外加力下BDT 铁电薄膜的畴翻转
• 3.1.3 BDT 铁电薄膜力致畴变分析
• 3.2 外加电场下BDT 铁电薄膜的畴翻转
• 3.2.1 外加电压下BDT 薄膜的畴翻转
• 3.2.2 BDT 铁电薄膜电致畴变分析
• 3.3 力电耦合场下BDT 铁电薄膜的畴翻转
• 3.3.1 外加力电耦合场下BDT 铁电薄膜的畴翻转
• 3.3.2 外加力电耦合场下BDT 铁电薄膜畴变机理分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 不同外场作用下NBT-KBT 铁电薄膜的畴翻转
• 4.1 外加力下NBT-KBT 铁电薄膜的畴翻转
• 4.1.1 NBT-KBT 铁电薄膜的原始畴观测
• 4.1.2 外加力下NBT-KBT 铁电薄膜的畴翻转
• 4.1.3 NBT-KBT 铁电薄膜力致畴变分析
• 4.2 外加电场下NBT-KBT 铁电薄膜的畴翻转
• 4.2.1 外加电压下NBT-KBT 铁电薄膜畴翻转
• 4.2.2 NBT-KBT 铁电薄膜畴电致畴变分析
• 4.3 外加电场下NBT-KBT 薄膜单个晶粒的畴翻转
• 4.4 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果