钛酸铋低维材料的制备及性能研究

论文摘要

随着微电子技术的飞速发展，半导体器件的特征尺寸不断减小，SiO2作为MOSFET（metal-oxide-semiconductor field effect transistor）的栅介质材料在几年之内将不能满足需求，故满足此条件的高介质材料的研制就成为当今微电子材料的研究热点。在众多的候选材料中，钛酸铋体系中的Bi2Ti2O7是其中一种有望替代SiO2的栅介质材料。在钛酸铋体系中，对Bi2Ti2O7的研究较少，起步较晚。但是Bi2Ti2O7的多晶薄膜具有较高的介电常数和较低的漏电流，有着广泛的应用前景。由于Bi2Ti2O7具有较高的介电常数和很好的绝缘性，适合作动态随机存储器的存储媒体，使记忆单元面积减小，提高集成密度；Bi2Ti2O7作为绝缘栅场效应管的栅极材料，可以提供场效应管的跨导，降低开关电压；并且在制备PZT等薄膜中被用作缓冲层可以改善薄膜的电学性质。但是Bi2Ti2O7的致命弱点就是它的不稳定性，在高温时极易转变为Bi4Ti3O12。在Bi2Ti2O7陶瓷的制备中可以通过一定的离子掺杂来提高Bi2Ti2O7相的稳定性，在薄膜的制备中我们也看到了镧离子掺杂的可喜现象。为了利用我国丰富的稀土资源，我们希望在Bi2Ti2O7薄膜中通过掺杂其它镧系元素，来进一步改善薄膜的稳定性并提高其电学性能。我们采用MOSD+spin-coating的方法，在不同衬底上制备了掺杂钐离子的Bi2Ti2O7薄膜和微晶，并对其结构和性质进行了研究，主要内容为：在第三章中，我们首先在硅衬底上制备了不同钐含量的(Bi1-xSmx)2Ti2O7系列薄膜。发现不同掺杂离子浓度对Bi2Ti2O7薄膜的结晶度，表面形貌及电学性质均有较大的影响。综合考虑，我们认为掺杂钐浓度为0.1时的薄膜具有较好的性能。然后我们在钐浓度为0.1的条件下研究了溶液浓度对薄膜性能的影响，发现溶液浓度对薄膜的电学性能影响更复杂。综合所有因素，我们认为溶液浓度为0.1，钐离子掺杂浓度为x=0.1的薄膜性能最为优越。在第四章中我们详细的对溶液浓度为0.1，掺杂浓度x=0.1的薄膜进行了研究，这也是本文的重点。我们对不同衬底上的薄膜做了比较。XRD的研究表明我们在两种衬底上制备的BSTO（0.1）薄膜均在600℃退火10分钟后结晶性良好，为多晶膜。并且我们制备的BSTO（0.1）薄膜比未掺杂的薄膜的稳定性提高很多，并且比掺镧元素的薄膜的稳定性也有很大提高，一方面是因为电荷补偿的原因，另一方面是由于钐离子半径要比镧离子半径更接近于铋离子半径(Bi3+（0.93（?））＜Sm3+（1.00（?））＜La3+（1.14（?））)。原子力显微镜观察了在两种衬底上薄膜的表面较平整，由近球形颗粒组成。场发射扫描电镜对Si衬底薄膜断面的形貌显示，薄膜层与层之间不存在间隙，结晶性较好，并测出了薄膜的厚度约为490nm。电学性质测试表明在不同退火条件下在硅衬底上薄膜的性质是很复杂的，在Pt衬底上具有比Si衬底上好的绝缘性和介电性能。对Bi2Ti2O7的粉体进行研究表明，相同成分的粉体与薄膜在结晶性等方面有很大的不同。透射电镜显示了样品具有较好的表面形貌。物理性质的研究表明粉体所表现的物理性能要比薄膜复杂的多。

论文目录

• 目录
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 介电材料
• 1.2 薄膜功能材料
• 1.2.1 薄膜材料概述
• 1.2.2 薄膜的制备技术
• 1.3 钛酸铋系列材料
• 4Ti₃O₁₂'>1.3.1 Bi₄Ti₃O₁₂
• 4Ti₃O₇'>1.3.2 Bi₄Ti₃O₇
• 1.4 本论文的研究目的及主要内容
• 参考文献
• 第二章 钛酸铋薄膜材料的制备及测试方法
• 2.1 引言
• 2.2 薄膜的制备
• 2.2.1 主要仪器设备
• 2.2.2 实验原料
• 2.2.3 前驱体溶液的配制
• 2.2.4 衬底材料的选择及清洗
• 2.2.5 薄膜的制备
• 2.2.6 电极的制备
• 2.3 分析测试技术
• 2.3.1 差热与热重分析
• 2.3.2 红外（Infrared-IR）光谱
• 2.3.3 X-射线衍射分析
• 2.3.4 原子力显微镜
• 2.3.5 场发射扫描电子显微镜
• 2.3.6 绝缘性质（电流-电压）
• 2.3.7 介电性质（介电频谱、介电温谱）
• 参考文献
• 2Ti₂O₇薄膜性质的影响'>第三章 钐含量和前驱体溶液浓度对掺钐Bi₂Ti₂O₇薄膜性质的影响
• 3.1 引言
• 2Ti₂O₇薄膜的影响'>3.2 钐浓度对掺钐Bi₂Ti₂O₇薄膜的影响
• 3.2.1 实验过程
• 3.2.2 实验结论
• 3.3 前驱体溶液浓度对薄膜的影响
• 3.3.1 实验过程
• 3.3.2 分析测试
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 1-xSm_x)₂Ti₂O₇薄膜的制备及性能研究'>第四章 (Bi_1-xSm_x)₂Ti₂O₇薄膜的制备及性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 前驱体溶液分析
• 4.2.1 TG/DTA
• 4.2.2 红外光谱性质
• 4.3 制备薄膜所用衬底及薄膜的结晶性及表面形貌
• 4.3.1 制备薄膜所用衬底的 XRD
• 4.3.2 不同衬底上的薄膜的 XRD
• 4.3.3 不同衬底上的薄膜的原子力图
• 4.4 薄膜厚度及断面形貌的测量
• 4.5 薄膜电学性质的研究
• 4.5.1 Si衬底上的薄膜电学性质
• 4.5.2 Pt衬底上的薄膜电学性质
• 4.6 本章小结
• 参考文献
• 2Ti₂O₇微晶的制备及性质研究'>第五章 掺钐Bi₂Ti₂O₇微晶的制备及性质研究
• 5.1 引言
• 5.2 制备不同条件下样品的 XRD
• 5.3 不同条件下样品制备的表面形貌
• 5.4 介电性质的研究
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 总结
• 6.1 主要结论
• 6.2 论文创新点及不足
• 论文创新点
• 需要进一步研究的内容
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文及所获奖励
• 学位论文评阅及答辩情况表