Ti-Al缓冲层对Pb（Zr，Ti）O3异质结的结构和性能影响

论文摘要

本实验采用磁控溅射法（Magnetron Sputtering）和溶胶凝胶法（Sol-Gel）在不同衬底材料上,制备含非晶Ti-Al缓冲层的Pb（Zr,Ti）O3 （PZT）异质结,采用X射线衍射仪（XRD）、高能电子衍射仪（RHEED）、铁电测试仪（Precision LC Unit）等重点研究了非晶Ti-Al缓冲层对PZT异质结结构和性能的影响。（1）采用磁控溅射法和溶胶-凝胶法制备了Pt/LNO/PZT/LNO/Ti-Al/Si异质结,系统研究了LNO氧化物底电极生长温度和Ti-Al缓冲层厚度对PZT铁电性能的影响。LNO生长温度研究表明,测量电压为5V时,以600℃和700℃生长的LNO为底电极的PZT电容器剩余极化强度（Pr）相近,Pr分别为11.7μC／cm2和11.9μC／cm2,而700℃条件下生长底电极的电容器矫顽电压（Vc）比600℃条件下明显减小。当底电极生长温度达到800℃时,电容器的剩余极化强度不再满足存储器要求（Pr=7.7μC/cm2）。对应于含0nm、1nm、2nnm和4nm非晶Ti-Al缓冲层样品的PZT电容器剩余极化强度分别为14.7μC/cm2、12.8μC/cm2、11.9μC/cm2和11.6μC／cm2,表明Ti-Al厚度对PZT异质结的电极化特性影响较小。但是漏电流分析显示1-2nm的缓冲层在降低PZT电容器漏电流密度方面能起到较好效果（-10-6A/cm2）,而增加到4nnm时,薄膜漏电流密度呈增加趋势（-10-5A/cm2）。（2）由于层状钙钛矿结构的铁电材料Bi3.25La0.75Ti3O12 （BLT）在金属电极上优异的抗疲劳特性,构造了BLT/PZT/BLT异质结,同时采用导电的La0.5Sr0.5CoO3 （LSCO）作为PZT的电极构造了LSCO/PZT/LSCO电容器结构,对比研究了两种材料对PZT性能的影响。在8V外加电压下,两种电容器的剩余极化强度分别为16.3μC／cm2和28.2μC／cm2,经过1010次极化反转后均未出现疲劳,含BLT层的电容器在5V外加电压下漏电流仅为4.7x10-6A/cm2,比以LSCO为电极的PZT电容器漏电流小一个数量级（1.9x10-5A／cm2）。（3）在LaAlO3（LAO）基片上采用溶胶-凝胶和磁控溅射法构造了LSCO/PZT/LSCO异质结,研究了Ti-Al缓冲层的引入对PZT结构和性能的影响。高能电子衍射和X射线衍射测试表明,生长在Ti-Al/LAO和LAO上的LSCO薄膜均为单一取向生长,非晶Ti-Al层有效降低了LAO和LSCO间的应力。在两种LSCO电极上制备（001）高度择优取向PZT薄膜。在5V电压下,含缓冲层和不含缓冲层的两种电容器的Pr和Vc分别为27.2μC／cm2、1.9V和26.5μC／cm2、2.4V,两种电容器保持特性和脉宽依赖性良好,经过1010次极化反转后均未出现明显的疲劳现象,5V外加电压下漏电流密度分别为1.1×10-4A/cm2和1.4×10-4A／cm2,研究发现含缓冲层的样品的电容器在铁电性能的对称性方面明显优于不含缓冲层的性能,这归因于缓冲层的引入导致基片对铁电薄膜夹持应力的释放。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 3材料介绍'>1.1 Pb（Zr,Ti）O₃材料介绍
• 1.2 本课题研究背景
• 1.3 论文的主要内容及意义
• 第2章 材料的制备及检测方法
• 2.1 材料的制备方法
• 2.1.1 磁控溅射基本原理
• 2.1.2 溶胶-凝胶法
• 2.2 材料的检测方法
• 2.2.1 X射线衍射基本原理
• 2.2.2 高能电子衍射仪原理
• 2.2.3 铁电性能的测量方法
• 第3章 Si基含Ti-Al缓冲层的PZT异质结性能研究
• 3.1 LNO/PZT/LNO异质结的制备
• 3.2 LNO生长温度对PZT性能的影响
• 3.3 Ti-Al缓冲层厚度对PZT性能的影响
• 3.4 导电电极LSCO和铁电材料BLT对Si基PZT性能影响研究
• 3.5 小结
• 第4章 LaAlO3基含Ti-Al缓冲层的PZT异质结性能研究
• 3基外延LSCO材料制备及表征'>4.1 LaAlO₃基外延LSCO材料制备及表征
• 3基PZT异质结的制备及性能分析'>4.2 LaAlO₃基PZT异质结的制备及性能分析
• 4.3 小结
• 第5章 结束语
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的学术论文
• 致谢