Bi4Ti3O12鐵電薄膜的摻雜改性及極化特性的Landau-Devonshire理論研究.pdf

1、有著低功耗、非揮發(fā)性、高讀寫次數(shù)、高存取速度、高密度存儲(chǔ)、抗輻射以及與集成電路工藝兼容等特點(diǎn)的鐵電隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器在計(jì)算機(jī)、國防、航空航天等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿?。鐵電薄膜因在鐵電隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器中的應(yīng)用而備受關(guān)注。本論文使用化學(xué)溶液沉積法(CSD)針對(duì)Bi4Ti3O12(BIT)鐵電薄膜的制備與摻雜改性進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究,同時(shí)利用朗道-德文希爾(Landau-Devonshire)理論研究了鐵電薄膜的極化特性。在實(shí)驗(yàn)和理論研究方

2、面的內(nèi)容和結(jié)果概括如下:
　　1.實(shí)驗(yàn)上,在A位選擇Nd元素,在B位分別選擇Mn、Mg、Al、Sc等元素,用CSD法在Pt/Ti/SiO2/Si等不同基片上制備了A、B位共摻雜的Bi3.15Nd0.85Ti2.95Mn0.05O12(BNTMn)、Bi3.15Nd0.85Ti3-xMgxO12(BNTMg(x))、Bi4-xNdxTi2.95Mg0.05O12(BN(x)TMg)、 Bi3.15Nd0.85Ti3-xAlxO12(

3、BNTAl(x))、Bi3.15Nd0.85Ti3-xScxO12(BNTSc(x))和Bi3.15Nd0.85Ti3-x(Alx,Scx)O12(BNT(Al(x),Sc(x))薄膜,探討了其性能改善的物理機(jī)制,得到了如下成果:
　　(1)選用Nd作為BIT薄膜的A位摻雜元素(BNT),詳細(xì)研究了B位Mg受主摻雜對(duì)BNT薄膜性能的影響,著重研究了熱處理溫度、摻雜含量對(duì)BNTMg薄膜的微結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能的影響。發(fā)現(xiàn)700℃為最佳退火

4、溫度,薄膜的剩余極化隨著摻雜量增加先增加后減小。在BNTMg(x)薄膜中,由于Mg離子的半徑比Ti離子的半徑大,從而導(dǎo)致TiO6八面體中產(chǎn)生更大的晶格畸變,從而有利于提高鐵電薄膜的極化。
　　(2)詳細(xì)對(duì)比了B位Mn和Mg元素的受主摻雜BNT薄膜的鐵電性能。研究發(fā)現(xiàn),BNTMg薄膜的剩余極化值大于BNTMn薄膜。一方面,替換Ti4+的Mg2+離子半徑(0.072nm)比Mn3+離子半徑(0.060nm)大,引起TiO6八面體發(fā)生大

5、的晶格畸變;另一方面,鐵電性能的改善是外層電子的軌道雜化和晶格畸變共同作用的結(jié)果。
　　(3)嘗試性地提出在BNT薄膜B位同時(shí)摻雜Al和Sc元素,對(duì)晶胞中的Ti離子進(jìn)行雙離子替換的思想。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,BNT(Al(x),Sc(x)薄膜的鐵電、介電等性能比BNTAl(x)、BNTSc(x)薄膜有不同程度的提升與改善,得到了綜合改善薄膜鐵電性能和漏電流性能的方法。
　　2.理論方面,為了理解薄膜的極化特性,選擇了參數(shù)完備的BaT

6、iO3薄膜為研究對(duì)象,利用Landau-Devonshire理論研究了鐵電薄膜的極化特性,取得了如下成果:
　　(1)在Landau-Devonshire熱力學(xué)理論框架下詳細(xì)地研究了外推長度d的不同取值對(duì)薄膜表面、界面和薄膜內(nèi)部的極化分布的影響。計(jì)算了在拉應(yīng)力條件下,薄膜厚度分別為80nm、160nm和400nm,d分別為1nm、3nm、6.29nm、8nm時(shí)的極化強(qiáng)度。結(jié)果表明,薄膜的厚度越小,表面處極化大小的差別越大,剩余極化

7、P則隨著外推長度值的增加而增加。
　　(2)計(jì)算并給出了BaTiO3在拉應(yīng)力條件下d分別為3nm、6.29nm、8nm以及在壓應(yīng)力條件下d分別為1.0001nm、2nm、4nm時(shí)薄膜的臨界厚度。計(jì)算表明,外推長度取值越大,臨界厚度越小;由外推長度不同帶來的剩余極化P的差別隨著薄膜厚度增加而減小。說明d的取值對(duì)于剩余極化強(qiáng)度的大小及分布的影響不容忽視,并且這種影響會(huì)隨著薄膜厚度的減小越發(fā)敏感。
　　(3)異質(zhì)膜的晶格失配是無法