溶膠凝膠制備摻雜BST體系的相選擇及薄膜性能研究.pdf

1、鈦酸鍶鋇BST鐵電材料具有介電常數(shù)高、損耗因子小、非線性強(qiáng)、漏電流小、不易疲勞、熱釋電效應(yīng)顯著、居里溫度隨Ba/Sr比可調(diào)等特點(diǎn)，在動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM)、熱釋電紅外探測(cè)器、移相器等器件的制造中有很大的應(yīng)用潛力。溶膠凝膠法在制備BST粉體和薄膜材料方面被廣泛使用，其中醋酸鹽.醋酸.鈦酸四正丁酯制備體系應(yīng)用尤為眾多。
　　本文利用這一體系制備了性能良好的Ba0.7Sr0.3TiO3粉體，并采用spin-coating工藝在Si(

2、111)/SiO2/Ti/Pt基片上制備了BST薄膜。采用FT-IR、DSC/TG、室溫靜態(tài)XRD(RT-XKD)、高溫動(dòng)態(tài)XRD(HT-XRD)和SEM對(duì)過程中的階段變化進(jìn)行了表征，著重分析了醋酸鹽-醋酸-鈦酸四正丁酯制備體系中sol到gel的轉(zhuǎn)變、gel干燥熱解過程、中間相的形成和BST的晶化過程，并研究了非平衡的化學(xué)計(jì)量比對(duì)BST相選擇過程的影響、摻雜5％Mg、5％Ni、5％Mg+5％Ni和5％B粉體和薄膜的晶化相選擇過程的影響、

3、不同元素?fù)诫s對(duì)薄膜的電性能方面的影響。
　　通過FT-IR結(jié)果，詳細(xì)闡述了該體系sol-gel結(jié)構(gòu)演變過程：(1)醇交換反應(yīng)，乙二醇甲醚通過取代丁氧基促使鈦醇鹽分子間的締合；(2)螯合作用，乙酰丙酮與鈦形成螯合結(jié)構(gòu)，對(duì)前驅(qū)體分子改性；(3)醋酸配體取代反應(yīng)，醋酸取代烷氧基形成在不同鈦原子之間連接的醋酸橋鍵或醋酸配體；(4)H2O的水解縮合反應(yīng)，過量醋酸與醇的酯化形成水，水促使鈦分子簇之間的水解縮合；在Ti-O-Ti和醋酸橋鍵的連接

4、作用下溶膠膠粒逐漸增大，最終形成穩(wěn)定的大分子凝膠。
　　通過XRD測(cè)試發(fā)現(xiàn)該體系BST的晶化存在兩種不同路線：BaxSr1-xCO3(BSC)和TiO2的固相反應(yīng)合成BST和(Ba0.7Sr0.3)2Ti2O5CO3(BSTC)的高溫分解為BST。BSC和TiO2兩相是在400℃～500℃以下形成，750℃/2h處理才能去除；BSTC中間相是成分組織不均勻的弱晶化相，在455℃～525℃之間形成，575℃開始分解。BST晶化過程的

5、不同路線與體系中各元素微觀分布有關(guān)。400℃/30min的預(yù)處理對(duì)BST中間相的組成和晶化過程有很大影響，預(yù)處理工藝會(huì)促進(jìn)BSTC中間相形成，對(duì)BSC和TiO2中間相的形成有抑制作用。
　　非化學(xué)計(jì)量比造成BSTC中間相的穩(wěn)定性增加；Ti在BST相中的飽和度大于平衡化學(xué)計(jì)量比；Ti過量造成鈦氧晶格扭曲，影響正常晶格的鋇鍶離子造成BSC相出現(xiàn)；Ba+Sr過量的體系多余的鋇鍶以BSC和BSO雜相存在。
　　無(wú)論摻雜是哪種類型，B

6、STC中間相的穩(wěn)定性都有提高，BST晶化行為和結(jié)晶性受到了一定的抑制，造成了BST晶粒尺寸的降低。摻雜對(duì)于BST薄膜的缺陷有明顯的改善作用。
　　5％Mg摻雜導(dǎo)致介電常數(shù)和介電損耗相對(duì)于未摻雜樣品降低，但調(diào)諧率下降，漏電流特性得到了顯著改善，漏電流值降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)；5％Ni摻雜后薄膜介電常數(shù)增加、介電損耗降低、調(diào)諧率增加，漏電流特性降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)；5％Mg+5％Ni共摻雜后薄膜的介電常數(shù)減小，介電損耗減小，調(diào)諧率降低，薄膜漏電流