论文摘要
近年来,由于含铅量较大的铁电材料在制备和使用的过程中,都会给环境和人类带来损害。为了保护地球和人类的生存空间,防止环境污染,实现可持续发展的目标,世界各国的科技工作者正在抓紧研究少铅或无铅的压电、铁电材料。其中铋层状钙钛矿型（BLSF）铁电薄膜由于其自发极化较大、抗疲劳性高、保持性好以及无铅化学成分等优点,可望替代铅基材料成为新的铁电随机存储器的专用材料。本文通过实验制备和理论计算的方法来探索BLSF铁电薄膜的相关特性。在实验制备方面,采用化学溶液沉积法（CSD）在Pt/Ti/SiO2/Si基片上制备出Nd3+/V5+共掺杂钛酸铋铁电薄膜（Bi4-xNdx）（Ti3-yVy）O12,简记为BNTV,分别研究了退火温度,钒掺杂含量对BNTV薄膜铁电性及其电学性能的影响。用X射线衍射、扫描电子显微镜确定薄膜样品的成分和微观结构,同时对BNTV薄膜的电滞回线（P-E）、电流-电压特性（I-V）、电容-电压特性（C-V）、抗疲劳性和电滞回线-频率依赖关系进行了测量。结果表明BNTV薄膜的最佳退火温度可达800°C,相对于BNT薄膜有所提高,可见钒掺杂对铋元素的挥发有一定的抑制作用;实验中发现（Bi3.15Nd0.85）（Ti2.91V0.09）O12薄膜具有比BNT薄膜更低的漏电流（5.99×10-9 A @ 3V）和更好的抗疲劳特性。因为BNTV薄膜中钒含量的变化会引起薄膜氧空位、空间电荷变化或发生晶格畸变,所以控制适量的钒掺杂可制备电学性能优良的BNTV薄膜。在理论计算方面,通过对薄膜中偶极子的统计分布函数进行积分的方法,改进经典的Preisach模型,并修正由积分近似值引起的电滞回线的缺陷,用较少的参数仿真出的电滞回线拥有更饱满、平滑和对称的形状,与BLSF薄膜的实验结果相符。由于改进的模型具有历史电场效应,可以方便、准确地仿真薄膜的非饱和电滞回线,适用于铁电电容的小信号模拟。引入Furukawa提出的方法对我们改进的电滞回线模型数值求解电容率,得出电容率与电场的关系曲线,即蝴蝶回线。所得的蝴蝶回线在零电场处的奇点比传统定义的（ε= dP/dE）要高,更接近实验真实曲线。因此改进模型可以精确、快速地仿真电滞回线和蝴蝶回线,对铁电存储器及铁电可调性器件的电路模拟和理论研究具有一定的应用价值。另外,基于上述改进的Preisach模型,通过扩展单界面层的模型,建立起双界面层模型来研究电滞回线的印记效应。将上下界面层的非对称电导率做为联系印记内在原因和外在现象的中间参量,能很好地解释电滞回线中矫顽场的增减,厚度尺寸与电滞回线偏移效应的依赖关系,电滞回线底部膨胀或紧缩的变形等各种印记失效行为。双界面层模型仿真出的电滞回线具有电场偏移、回线倾斜、矫顽场变化、形状改变等印记属性,可以很好地与实验观察结果相吻合。最后,通过模型的理论分析提出减小印记失效的可行性方法:形成互补的上下界面层使其具有反相相等的电导率。此双界面层印记模型的提出对洞察铁电薄膜的印记机制和减少印记失效具有重要的指导意义。