鈦酸鉍系列鐵電薄膜性能與殘余應(yīng)力研究.pdf

1、隨著鐵電存儲(chǔ)器材料研究的深入,含鉍層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵電薄膜(BLSF)近年來(lái)引起了人們的極大興趣。其中,Bi4Ti3O12及其改性鐵電薄膜是應(yīng)用于鐵電存儲(chǔ)器的最熱點(diǎn)材料之一。
　　本文采用溶膠-凝膠法在Pt/TiO2/SiO2/Si襯底上制備了Bi4Ti3O12(BTO)系列薄膜。研究了A位和B位摻雜對(duì)BTO薄膜的微結(jié)構(gòu)和鐵電性能的影響;研究了緩沖層對(duì)BNT薄膜的結(jié)構(gòu)和性能的影響;用ANSYS9.0軟件對(duì)Bi4Ti3O12薄膜退火后的

2、熱應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了模擬,并采用X射線衍射法對(duì)BTO及改性薄膜的殘余應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)量和計(jì)算,研究了不同條件下BTO的ICP刻蝕及殘余應(yīng)力的變化。主要結(jié)論如下:
　　將制備的Bi4Ti3O12薄膜分別在600-800℃下退火30分鐘,通過(guò)比較確定最佳退火溫度為750℃;750℃下退火的BTO薄膜為具有隨機(jī)取向的多晶膜,在10V電壓下剩余極化值為8.05μC/cm2;薄膜在經(jīng)過(guò)5×109循環(huán)次數(shù)后,極化值只有初始的67.2％,疲勞特性有待改

3、善;漏電流密度值在10-6和10-4A/cm2之間;當(dāng)頻率為100kHz時(shí),BTO薄膜的介電常數(shù)和介電損耗分別為245和0.025。
　　摻雜了La元素的Bi3.25La0.75Ti3O12(BLT)和摻雜了Nd元素的Bi3.15Nd0.85Ti3O12(BNT)薄膜與相同工藝條件下制備的 BTO薄膜相比鐵電性能得到增強(qiáng),疲勞特性也得到了顯著的提高。摻Nd后的BNT薄膜具有最優(yōu)的鐵電性能、疲勞特性和漏電流特性。
　　A位La

4、和Nd共摻雜的Bi3.15(LaxNd1-x)0.85Ti3O12(BLNT,x=1/4,1/2,3/4)系列薄膜,隨著La摻雜比例的減小,Nd摻雜比例的增加,BLNT薄膜的極化值逐漸增大,在10V電壓下,BLNT26、BLNT44和BLNT62薄膜的Pr值分別為:11.6μC/cm2,20.65μC/cm2和22.67μC/cm2。
　　對(duì)BNT進(jìn)行B位Zr4+摻雜后,隨著摻量的增加,BNTZx(x=0,2%,4%,6%,8%和

5、10%)薄膜的剩余極化值先逐漸增加后減小,當(dāng)x=6%時(shí)達(dá)到最大,而矯頑電壓Vc值幾乎沒(méi)有什么變化。摻雜了Zr的薄膜的疲勞特性均比未摻雜的BNT薄膜的要差一些。
　　通過(guò)加入TiO2種子層使BNT薄膜的a軸取向度大大增加,鐵電性能也有所增強(qiáng)。在具有不同厚度TiO2緩沖層的BNT-Tx系列薄膜中,BNT-T20薄膜的性能最優(yōu)。通過(guò)制備LaNiO3緩沖層,BNT薄膜的疲勞特性和漏電流密度得到了很大的改善。
　　采用ANSYS9.0

6、軟件對(duì)Bi4Ti3O12薄膜退火過(guò)程中形成的熱應(yīng)力進(jìn)行了模擬。當(dāng)Bi4Ti3O12薄膜厚度為0.3μm時(shí),薄膜經(jīng)過(guò)退火之后產(chǎn)生的熱應(yīng)力為壓應(yīng)力。在相同的襯底厚度下,熱應(yīng)力數(shù)值與薄膜厚度有關(guān)。當(dāng)BTO薄膜的厚度從0.1μm逐漸變化為1μm時(shí),薄膜表面的熱應(yīng)力從最大的壓應(yīng)力逐漸減小,當(dāng)厚度為0.8μm時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力,且隨著厚度的增加繼續(xù)增加。
　　X-射線衍射結(jié)果表明BTO及其改性薄膜表面的殘余應(yīng)力均為拉應(yīng)力。對(duì)Bi4Ti3O12薄膜

7、進(jìn)行A位摻雜之后薄膜內(nèi)部的拉應(yīng)力值增大,且以BNT薄膜內(nèi)部的拉應(yīng)力最大。對(duì)BNT薄膜進(jìn)行B位的Zr摻雜后薄膜的拉應(yīng)力值大大減小,BNTZx(x=6%)薄膜的應(yīng)力值為259.5MPa;添加了緩沖層的BNT薄膜仍承受著拉應(yīng)力,計(jì)算得出的具有TiO2(20nm)緩沖層和LaNiO3緩沖層的BNT薄膜的應(yīng)力值分別為235.4MPa和176MPa。
　　采用ICP刻蝕工藝對(duì)BTO和BNT鐵電薄膜進(jìn)行刻蝕?？涛g速率隨著刻蝕氣體中Ar的加入先增