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钛酸盐类铁电薄膜的制备及其性能研究

2020-11-22阅读(1025)

钛酸盐类铁电薄膜的制备及其性能研究

论文摘要

近二三十年来，以铁电存储器的应用，例如铁电随机存储器（FRAM），铁电场效应晶体管（FFET）为目标，人们广泛开展了铁电薄膜与半导体集成的研究。其中广泛使用的存储材料PbTiO3，Pb（Zr,Ti）O3，Pb（Mg,Nb）O3中PbO的含量高达60～70％，这在制备和使用的过程中，会给人类和环境带来危害。而且Pb（Zr,Ti）O3薄膜使用Pt电极存在严重的疲劳现象，极化随翻转次数的增加而减小，使器件失效。虽然利用金属氧化物电极可以提高其抗疲劳性，但是这种电极不易制备并且会增加漏电流。SrBi2Ta2O9薄膜由于具有优异的抗疲劳特性，成为过去几年引人注目的铁电材料，但是其合成温度相对较高且剩余极化较低。研究发现利用逐层退火、加入阻挡层以及元素取代等方法，可以缓解这两大难题。Bi4Ti3O12薄膜在超过～108次翻转后，会出现明显的疲劳现象，自1999年以来，不断出现利用镧系元素对Bi4Ti3O12薄膜进行改性的报道。 Na0.5Bi0.5TiO3与K0.5Bi0.5TiO3作为两种环境协调型材料目前备受关注，是近几年研究的无铅热门材料。它们都属于钙钛矿结构的驰豫铁电体，且具有相同的通式：ABO3，其中Na+和Bi3+或者K+和Bi3+占居了A位，Ti4+占居了B位。对于Na0.5Bi0.5TiO3陶瓷或晶体材料的研究开展了不少工作，例如：压电、铁电、热释电性及光学性能等。由于K0.5Bi0.5TiO3陶瓷或晶体材料制备相对困难，对它们的研究就少一些。但是关于Na0.5Bi0.5TiO3与K0.5Bi0.5TiO3薄膜的研究却是少之又少。 我们认为有必要探索新型铁电薄膜材料或对已有的材料进行改性研究。本文从实用环保的角度出发，对Na0.5Bi0.5TiO3-K0.5Bi0.5TiO3二元体系及其掺杂镧系元素（Nd、Sm、Pr）的Bi4Ti3O12薄膜进行了制备及性能研究。 铁电薄膜及相关集成器件的制备应满足以下几点：①用适当的方法沉积铁电薄膜，并且能与金属或导电氧化物电极集成到一起；②与集成器件工艺相兼容，例如：用尽可能低的温度在衬底上制备出具有特定微观结构的薄膜材料；③制备与器件应用相符的薄膜，薄膜高取向或多晶，或异质结构具有某种特性；④能够制备出某种模式结构，超晶格或层状异质结构；⑤沉积过程可以重复；⑥沉积速率高且成本低。 我们从以上要求出发，选用金属有机溶液沉积法（MOSD）制备前驱体溶液，

论文目录

  • 目录
  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 符号说明
  • 第一章 绪论
  • 1.1 铁电材料（Ferroelectric Materials）
  • 1.1.1 铁电材料的基本特性
  • 1.1.2 铁电材料的分类
  • 1.2 铁电薄膜（Ferroelectric Films）
  • 1.2.1 铁电薄膜简介
  • 1.2.2 铁电薄膜的发展
  • 1.2.3 薄膜的制备方法
  • 1.2.4 铁电薄膜的应用
  • 0.5Bi0.5TiO3、K0.5Bi0.5TiO3和Bi4Ti3O12材料概述'>1.3 Na0.5Bi0.5TiO3、K0.5Bi0.5TiO3和Bi4Ti3O12材料概述
  • 1.4 本论文的研究目的及主要内容
  • 1-xKx)0.5Bi0.5TiO3与Bi4-xAxZi3O12铁电薄膜的制备及分析测试方法'>第二章 (Na1-xKx)0.5Bi0.5TiO3与Bi4-xAxZi3O12铁电薄膜的制备及分析测试方法
  • 2.1 引言
  • 2.2 薄膜制备
  • 2.2.1 仪器设备
  • 2.2.2 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 示差扫描量热与热重分析
  • 2.3.2 红外（Infrared-IR）光谱
  • 2.3.3 X-射线衍射分析
  • 2.3.4 原子力显微镜研究表面形貌
  • 2.3.5 场发射扫描电子显微镜研究断面及表面形貌
  • 2.3.6 台阶仪测量薄膜厚度
  • 2.3.7 绝缘性（电流-电压）
  • 2.3.8 电容-电压特性
  • 2.3.9 介电性（介电频谱、介电温谱）
  • 2.3.10 电滞回线和极化的测量
  • 2.3.11 疲劳性测试
  • 2.3.12 光学透过图谱
  • 1-xKx)0.5Bi0.5TiO3铁电薄膜的结构、形貌及电学性质'>第三章 (Na1-xKx)0.5Bi0.5TiO3铁电薄膜的结构、形貌及电学性质
  • 3.1 引言
  • 3.2 X-射线衍射与表面形貌
  • 3.3 电学性质
  • 3.4 本章小结
  • 0.8K0.2)0.5Bi0.5TiO3薄膜在不同衬底上的性能研究'>第四章 (Na0.8K0.2)0.5Bi0.5TiO3薄膜在不同衬底上的性能研究
  • 4.1 引言
  • 4.2 前驱体溶液分析
  • 4.2.1 DSC／TG
  • 4.2.2 红外光谱
  • 4.3 制备薄膜所用衬底
  • 4.4 薄膜厚度测量
  • 4.5 X-射线衍射与表面形貌
  • 0.8K0.20.5Bi0.5TiO3薄膜的电学性质'>4.6 Si衬底上(Na0.8K0.20.5Bi0.5TiO3薄膜的电学性质
  • 4.6.1 绝缘性
  • 4.6.2 电滞回线
  • 4.6.3 C-V特性
  • 4.6.4 介电温谱
  • 4.6.5 介电频谱
  • 0.8K0.20.5Bi0.5TiO3薄膜的电学性质'>4.7 Pt衬底上(Na0.8K0.20.5Bi0.5TiO3薄膜的电学性质
  • 4.7.1 绝缘性
  • 4.7.2 电滞回线与疲劳性能
  • 4.7.3 介电频谱
  • 0.8K0.20.5Bi0.5TiO3薄膜的光学透过图谱'>4.8 石英玻璃衬底上(Na0.8K0.20.5Bi0.5TiO3薄膜的光学透过图谱
  • 4.9 本章小结
  • 4-xAxTi3O12／Si结构的性能研究'>第五章 Bi4-xAxTi3O12／Si结构的性能研究
  • 5.1 引言
  • 3.15Nd0.85Ti3O12薄膜'>5.2 Bi3.15Nd0.85Ti3O12薄膜
  • 5.2.1 XRD与AFM
  • 5.2.2 绝缘性
  • 5.2.3 C-V特性
  • 5.2.4 保持性
  • 5.2.5 介电性
  • 3.54Nd0.46Ti3O12薄膜'>5.3 Bi3.54Nd0.46Ti3O12薄膜
  • 5.3.1 XRD与AFM
  • 5.3.2 绝缘性
  • 5.3.3 C-V特性
  • 5.3.4 介电性
  • 3.15Sm0.85Ti3O12薄膜'>5.4 Bi3.15Sm0.85Ti3O12薄膜
  • 5.4.1 XRD与AFM
  • 5.4.2 绝缘性
  • 5.4.3 C-V特性
  • 5.4.4 介电性
  • 3.15Sm0.85Ti3O12薄膜'>5.5 Bi3.15Sm0.85Ti3O12薄膜
  • 5.5.1 XRD与AFM
  • 5.5.2 绝缘性
  • 5.5.3 C-V特性
  • 5.5.4 介电性
  • 5.6 本章小结
  • 第六章 总结
  • 主要结论
  • 论文创新点
  • 需要进一步研究的内容
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻读博士学位期间发表的论文及相关科研成果
  • 学位论文评阅及答辩情况表

    • 相关论文文献

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