MFS結(jié)構(gòu)器件用鈦酸鉍鈮鐵電薄膜制備與性能研究.pdf

1、基于MFS結(jié)構(gòu)鐵電器件的需要,以五氯化鈮、硝酸鉍、鈦酸丁酯等為基礎(chǔ)原料,采用溶膠-凝膠工藝(Sol-Gel)制備了硅基(p-Si)鈦酸鉍(Bi4Ti3O12)及其B位摻雜鈮元素的鈦酸鉍鈮Bi4Ti3-xNbxO12+x/2(BTN,x=0.015、0.03、0.045、0.06、0.075)系列鐵電薄膜,通過兩者的對比,研究了退火工藝和鈮離子摻雜對Bi4Ti3O12鐵電薄膜微觀結(jié)構(gòu)、鐵電和介電性能的影響規(guī)律與機(jī)理,為探索高質(zhì)量、低成本S

2、i基鐵電薄膜制備工藝提供有效途徑。
　　通過X射線衍射、掃描電鏡等微觀分析手段和鐵電參數(shù)測試儀、低頻阻抗分析儀等鐵電、介電測試儀器,研究了退火工藝和摻鈮量對BTN薄膜生長取向、相結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸、表面形貌、剩余極化、矯頑電場、介電常數(shù)、介電損耗、電容-電壓(C-V)特性等的影響,成功制備出表面平整無裂紋,晶粒均勻,無焦碌石相或其它雜相隨機(jī)生長的BTN系列薄膜,獲得了溶膠-凝膠低溫、低成本制備高質(zhì)量BTN鐵電薄膜的工藝方法,在保持良好

3、介電性能的前提下提高了薄膜的鐵電性能。結(jié)果表明:退火溫度和Nb摻雜含量是BTN結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)鍵影響因素。摻雜量為0.5％~2%(x=0.015、0.03、0.045、0.06、0.075)時,Bi4Ti3-xNbxO12+x/2鐵電薄膜的剩余極化Pr值在14.33~19.01μC/cm2之間,矯頑場Ec值在140~220kV/cm之間,且電滯回線的矩形度較好。溫度過高(高于650℃)時不利于剩余極化的提高,而溫度低于550℃則不利于鈣鈦

4、礦相形成和晶粒的充分生長,經(jīng)650℃退火處理、摻雜量x=0.60的BTN薄膜的剩余極化Pr最大,達(dá)到19.01μC/cm2,而Ec值約為200kV/cm,與相同襯底下Bi4Ti3O12薄膜10.8μC/cm2的剩余極化相比,2%摻雜濃度的BTN-60薄膜的鐵電性能有顯著提高。但Nb摻雜對Bi4Ti3O12的介電性能影響不明顯。650℃退火處理的摻鈮量x為0.06的BTN薄膜具有較好的介電性能。Ag/BTN/p-Si結(jié)構(gòu)鐵電薄膜的C-V特