多層鐵電薄膜的制備及其電性能研究.pdf

1、鈦酸鍶鋇[(Ba1-xSrx)TiO3](BST)薄膜是目前凝聚態(tài)物理領(lǐng)域倍受關(guān)注的鐵電材料。一方面，由于它具有優(yōu)異的鐵電、壓電、介電和熱釋電性能，在非揮發(fā)性鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、壓電傳感器、熱釋電傳感器和超大規(guī)模隨機(jī)存取寄存器中的貯存電容器等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，另一方面，BST材料為簡(jiǎn)單立方的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，其居里溫度隨組份x增大而線性的減小，因此，可以通過(guò)改變組份人為地調(diào)整材料的居里溫度，從而滿(mǎn)足不同器件應(yīng)用的要求。 本論文以

2、BST鐵電薄膜為主要研究對(duì)象，首先我們發(fā)展了溶膠-凝膠(sol-gel)方法，探索了采用這種改進(jìn)的sol-gel方法制備異質(zhì)多層結(jié)構(gòu)鐵電薄膜的最佳工藝條件，成功制備出具有理想結(jié)構(gòu)和優(yōu)異電學(xué)性能的異質(zhì)多層鐵電薄膜材料。其次，我們從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面系統(tǒng)研究了BST鐵電薄膜的成份與微結(jié)構(gòu)對(duì)介電、鐵電性能以及漏電行為的影響。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)： (1)選用LaNiO3(LNO)作為單晶Si襯底與(BaxSr1-x)TiO3之間的過(guò)渡層和鐵電薄

3、膜電容器的底電極，在750℃、O2氣氛下熱處理30min后，(Ba0.7Sr0.3)TiO3薄膜在50kHz、零偏壓時(shí)的介電系數(shù)εr大于300。偏壓為6V時(shí)，漏電流密度JL小于1.2×10-6A/cm2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)選擇合適的襯底及底電極材料并優(yōu)化制備工藝，采用改進(jìn)的sol-gel法能夠獲得性能良好的鐵電薄膜。理論分析還發(fā)現(xiàn)，Al/BST/LNO結(jié)構(gòu)鐵電薄膜電容的漏電流受空間電荷限制電流機(jī)制和肖特基機(jī)制共同制約； (2)隨

4、著Ni摻雜量的增加，(Ba0.8Sr0.2)TiO3薄膜中的晶粒尺寸減小，電學(xué)性能發(fā)生了明顯地變化。在室溫條件下，薄膜在100kHz零偏壓下的介電系數(shù)和10V偏壓下的漏電流密度分別由未摻雜時(shí)的460和3.8×10-4A.cm-2下降到0.4％Ni摻雜時(shí)的250和4.0×10-6A.cm-2。這表明通過(guò)適量Ni的摻雜，可以有效地調(diào)整BST薄膜的電學(xué)性能，以滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存貯器的應(yīng)用要求； (3)兩種結(jié)構(gòu)異質(zhì)多層鐵電薄膜的漏電流密

5、度與相應(yīng)的具有同樣厚度的單層BST薄膜相比降低了2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，但MgO/(Ba0.8Sr0.2)TiO3多層鐵電薄膜介電系數(shù)與(Ba0.8Sr0.2)TiO3單層薄膜的(＞450)相比也降低了約50％，而(Ba0.5Sr0.5)TiO3/Pb(Zr0.5Ti0.5)O3多層鐵電薄膜卻能保持比較大的介電系數(shù)(＞340)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，如果減小多層薄膜中各子層的厚度并增加重復(fù)周期數(shù)，有望在確保多層薄膜具有較高介電系數(shù)的前提下大幅度降低漏電