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铁电存储器用Bi3.25La0.75Ti3O12薄膜的制备及性能研究

2020-11-23阅读(615)

铁电存储器用Bi3.25La0.75Ti3O12薄膜的制备及性能研究

论文摘要

铁电存储器是一种在断电时不会丢失存储信息的非易失存储器,具有高速、高密度、低功耗和抗辐射等优点,显示出良好的应用前景和极大的发展潜力。而具有性能优良的铁电薄膜是制作铁电存储器的基础。本文以应用于非易失性存储器的铁电薄膜的制备和性能研究为目的,采用Sol-Gel法在Pt/Ti/SiO2/Si和p-Si衬底上制备出Bi4Ti3O12和Bi3.25La0.75Ti3O12铁电薄膜,并对不同温度退火的样品的微观结构和铁电性能进行了系统地研究,还利用慢正电子束技术对La掺杂改善Bi4Ti3O12铁电薄膜疲劳性能的机理进行了探索性地研究,取得了一定的创新性成果和结论。系统研究了La掺杂改善Bi4Ti3O12薄膜铁电性能的机理,认为La3+离子取代(Bi2Ti3O10)2-层中易挥发的Bi3+离子后,对其晶格结构、电子结构和相互作用力等产生了改变。由于La3+离子可以增强类钙钛矿层中氧离子的稳定性,减少在类钙钛矿层的VO ??缺陷浓度,提高抗疲劳特性。La3+离子与氧离子2p的轨道杂化较弱,这就会间接影响了Ti4+离子3d轨道和O2-离子2p轨道的杂化,使得离子间的短程斥力增强,TiO6八面体的对称性会增加,极化沿c轴方向的偏转增大,导致a轴方向的极化减小,c轴方向的极化增加,从而提高了Bi4Ti3O12铁电薄膜的剩余极化值。采用Sol-Gel法在Pt/Ti/SiO2/Si和p-Si（100）衬底上成功制备出高质量的Bi4Ti3O12和Bi3.25La0.75Ti3O12薄膜。研究了退火温度对Bi4Ti3O12和Bi3.25La0.75Ti3O12薄膜的晶相及表面形貌的影响:少量La掺杂并没有改变Bi4Ti3O12的基本晶格结构,经过550℃退火的薄膜基本是钙钛矿晶相,在600℃退火的薄膜已经形成比较完整的钙钛矿晶格结构;薄膜表面具有较好的平整度,晶粒排列致密,尺寸均匀,结晶情况良好,没有裂缝和孔洞等缺陷。750℃退火的MFM结构Bi3.25La0.75Ti3O12铁电薄膜在测试电压为6 V时,其2Pr为20.0μC/cm2,2Vc是2.7 V;650℃退火的Bi3.25La0.75Ti3O12铁电薄膜漏电流密度为2.8×10-8 A/cm2,表现出良好的绝缘性能;Bi3.25La0.75Ti3O12铁电薄膜在测试电压为5 V时,经过1×109次极化反转后,其剩余极化值几乎没有下降,表现出良好的抗疲劳特性。同时还研究了La掺杂对Bi4Ti3O12薄膜铁电性能的影响。在测试电压为6 V时,700℃退火的MFM结构Bi4Ti3O12和Bi3.25La0.75Ti3O12薄膜,Bi4Ti3O12薄膜剩余极化值2Pr从12.5μC/cm2提高到Bi3.25La0.75Ti3O12薄膜的18.6μC/cm2,矫顽电压2Vc没有发生明显变化,都是2.8 V;而疲劳性能测试表明,经过1×109次极化反转后,Bi4Ti3O12薄膜剩余极化值下降了24%,而Bi3.25La0.75Ti3O12薄膜则表现出良好的抗疲劳特性,其剩余极化值几乎没有下降。研究了MFM结构和MFS结构Bi3.25La0.75Ti3O12薄膜的铁电性能,在此基础上探讨了衬底对其铁电性能的影响。发现制备在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上的Bi3.25La0.75Ti3O12薄膜的铁电性能要优于制备在p-Si衬底上的,主要是直接制备在p-Si衬底上的Bi3.25La0.75Ti3O12薄膜,在F-S界面处形成一层低介电常数的氧化物薄膜层（一般为SiOx）,这种硅氧层对薄膜的铁电性能会产生破坏性的影响。首次利用慢正电子束技术研究了铁电薄膜中VO··缺陷的作用,证实了La掺杂降低了Bi4Ti3O12铁电薄膜中VO··缺陷浓度,增强了(Bi2Ti3O10)2-层中O2-离子的稳定性,达到提高Bi4Ti3O12铁电薄膜抗疲劳特性的目的。为研究新型抗疲劳Bi系层状铁电薄膜提供了有价值的参考依据。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 1 绪论
  • 1.1 铁电薄膜材料的研究概况
  • 1.2 铁电薄膜的制备技术
  • 1.3 铁电存储器的研究概况
  • 1.4 本论文研究的主要内容
  • 2 铁电薄膜材料的选择及La 掺杂改性的理论研究
  • 2.1 铁电材料的选择及其晶体结构特征
  • 2.2 La 掺杂改善BTO 薄膜铁电性能和疲劳特性的机理
  • 2.3 本章小结
  • 3 Sol-Gel 法制备BTO 和BLT 薄膜及其微观结构分析
  • 3.1 Sol-Gel 法制备BTO 和BLT 薄膜
  • 3.2 BTO 和BLT 薄膜的微观结构分析
  • 3.3 本章小结
  • 4 MFM 结构BTO 和BLT 薄膜的铁电性能研究
  • 4.1 铁电性能测试设备和薄膜样品的参数
  • 4.2 La 掺杂对MFM 结构BTO 薄膜性能的影响
  • 4.3 MFM 结构BTO 薄膜的铁电性能
  • 4.4 MFM 结构BLT 薄膜的铁电性能及其它性能
  • 4.5 本章小结
  • 5 MFS 结构BTO 和BLT 薄膜的铁电性能研究
  • 5.1 铁电性能测试设备和薄膜样品的参数
  • 5.2 衬底对BTO 和BLT 薄膜电滞回线的影响
  • 5.3 MFS 结构BTO 和BLT 薄膜的电滞回线测量
  • 5.4 本章小结
  • 6 慢正电子束研究BTO 和BLT 铁电薄膜
  • 6.1 慢正电子束技术简介
  • 6.2 BTO 和BLT 铁电薄膜测试样品准备
  • 6.3 慢正电子束技术研究BTO 和BLT 铁电薄膜
  • 6.4 本章小结
  • 7 全文总结
  • 致谢
  • 参考文献
  • 附录1 攻读学位期间发表的论文目录

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