掺杂钛酸铋薄膜的铁电与光学性质

论文摘要

在铁电随机存储器（FeRAM）中,信息存储在铁电薄膜的极化方向中,由极化翻转电流读取信息。这就要求铁电薄膜具有以下特征:剩余极化强度值Pr要大,以便从小面积电容上可以得到较大的极化翻转电流;矫顽电场Ec要小,以使FeRAM可以在低电压下操作;疲劳和印迹要小,疲劳指多次翻转后剩余极化强度变小,而印迹指在两个方向上极化不对称。至今为止,在上述FeRAM要求的条件下,已经有多种铁电材料被研究。其中,主要有三种重要的材料可以用于FeRAM:PbZrxTi1-xO3（PZT）,SrBi2Ta2O9（SBT）和（Bi,La）4Ti3O12（BLT）。PZT具有较大的Pr值,晶化温度低于650oC,但其存在严重的问题如含铅,疲劳和印迹;SBT最大的优点是疲劳、印记和保持特性优于PZT,但晶化温度较高,Pr值较小;BLT是在钛酸铋(Bi4Ti3O12,BTO)中Bi由部分La取代形成的,由于晶化温度低、抗疲劳性能好,在FeRAM及电光器件方面有广泛的应用前景。为进一步改善薄膜的物理性能,可以对BTO薄膜进行掺杂改性。本论文主要做了以下几个方面的工作。1. LaNiO3（LNO）薄膜材料与大多铁电材料一样具有钙钛矿结构,晶格失配小,可以实现较好的晶体学兼容,而且以LNO薄膜用作下电极还可以改善疲劳特性。本文在热分析的基础上,通过控制热分解温度,采用溶胶凝胶法制备得到了两种择优取向的LNO薄膜。结果发现,较低的热分解温度下得到（110）择优取向的LNO薄膜,而较高的热分解温度下得到（200）择优取向的LNO薄膜。同时,在固定热分解温度时,改变烘烤温度,发现烘烤温度对择优取向影响不大。2.以具有（110）和（200）两种不同择优取向的LNO薄膜作为下电极,从而生长不同择优取向的Bi3.25La0.75Ti3O12（BLT）薄膜,并研究了BLT取向对极化强度、矫顽场、漏电流的影响。研究发现,c轴择优取向的BLT薄膜具有较大的剩余极化强度Pr、较小的漏电流,而择优取向对矫顽场的影响不大。3.在BTO薄膜中掺入In,通过透射光谱的测试,研究了In掺入对光学性质的影响。发现,In掺入可以增大可见和近红外区的透过率,减小了光学带隙Eg、线性折射率n和消光系数k。按照单电子振荡模型,计算得到光学参数如单电子振动能E0、色散能Ed、长波折射率n∞、平均振动波长λ0、平均振子强度S0、折射率色散参数E0/S0和化学键参量β等。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 铁电材料的基本特征
• 1.2 铁电薄膜材料
• 1.3 铁电存储器
• 1.4 研究现状和内容
• 1.4.1 研究现状
• 1.4.2 本论文的研究内容
• 参考文献
• 第2章 薄膜制备及实验研究方法
• 2.1 铁电薄膜的制备技术
• 2.1.1 物理气相沉积（PVD）
• 2.1.2 化学气相沉积（CVD）
• 2.1.3 非气相沉积方法
• 2.2 溶胶凝胶法简介
• 2.2.1 溶胶的稳定性
• 2.2.2 溶胶的粘度
• 2.2.3 热处理条件
• 2.2.4 衬底
• 2.2.5 单层膜厚
• 2.2.6 环境的相对湿度
• 2.2.7 环境温度
• 2.3 掺杂钛酸铋薄膜的制备
• 2.4 表征与测试方法
• 2.4.1 热重－差热分析（TG-DTA, Extar6000, Seiko）
• 2.4.2 X 射线衍射（XRD, DX2500）
• 2.4.3 原子力显微镜（AFM, SPA400, Seiko）
• 2.4.4 扫描电子显微镜（SEM, JEOL, JSM6300）
• 2.4.5 X 射线光电子能谱（XPS, Axis Ultra, Kratos）
• 2.4.6 拉曼光谱（Raman, Renishaw1000）
• 2.4.7 铁电性能测试（Precision workstation, Radiant Technologies）
• 2.4.8 光学透射谱（Cary5000, Varian）
• 参考文献
• 3 薄膜的制备与性质研究'>第3章 LaNiO₃薄膜的制备与性质研究
• 3.1 引言
• 3.2 前驱体热分析
• 3.3 薄膜制备
• 3.4 结果与分析
• 3.4.1 晶向表征
• 3.4.2 表面形貌
• 3.4.3 电阻率测试
• 3.4.4 元素分析
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 3.25La_0.75Ti₃O₁₂ 薄膜的铁电性质'>第4章 Bi_3.25La_0.75Ti₃O₁₂薄膜的铁电性质
• 4.1 引言
• 4.2 薄膜制备
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 晶向分析
• 4.3.2 表面形貌和横截面
• 4.3.3 元素分析
• 4.3.4 铁电性质
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第5章 In 掺杂对钛酸铋薄膜光学性质的影响
• 5.1 引言
• 5.2 前驱体的热分析
• 5.3 薄膜制备
• 5.4 结果与分析
• 5.4.1 晶相分析
• 5.4.2 形貌表征
• 5.4.3 元素分析
• 5.4.4 铁电性质
• 5.4.5 光学性质
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 结论
• 攻读硕士期间已发表和递交的论文
• 致谢