鑭系元素?fù)诫sBiFeO3薄膜的生長(zhǎng)模式與性能研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著信息存儲(chǔ)、傳感器以及微機(jī)電系統(tǒng)發(fā)展的需求，鐵電材料日益成為產(chǎn)業(yè)界、科技界、學(xué)術(shù)界和軍事界的研究熱點(diǎn)。目前用于器件生產(chǎn)的鐵電材料主要是鉛系材料(PZT體系)，但是這類材料在制造和回收過(guò)程中會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題，違背了人類對(duì)環(huán)境保護(hù)的美好訴求，促使人們尋找一種新型的無(wú)鉛鐵電材料。BiFeO3(BFO)作為一種無(wú)鉛環(huán)保鐵電材料，理論剩余極化值高達(dá)100μC/cm2，具有優(yōu)異的鐵電、壓電以及鐵磁性能，非常有希望替代PZT應(yīng)用于未

2、來(lái)的微電子器件。
　　然而，由于Bi3+的揮發(fā)和Fe3+的變價(jià)使BFO薄膜具有嚴(yán)重的漏電問(wèn)題，這成為阻礙其應(yīng)用和發(fā)展的關(guān)鍵所在。根據(jù)近幾年的報(bào)道，鑭系元素?fù)诫s可以有效抑制BFO薄膜的漏電流并可以在一定程度上提高薄膜的絕緣性和鐵電性，成為鐵電薄膜材料研究的熱點(diǎn)之一。隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)摻雜會(huì)帶來(lái)晶化程度降低的負(fù)面作用，而達(dá)不到理想的效果。目前薄膜晶化程度的提高主要是通過(guò)提高退火溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但BFO薄膜器件與集成電路CMOS工藝的兼

3、容性問(wèn)題要求薄膜的制備溫度越低越好。因此，如何在低溫區(qū)實(shí)現(xiàn)BFO-基薄膜晶化程度的提高顯得尤為重要。由于薄膜的晶化程度在很大程度上受制備工藝參數(shù)的影響，所以系統(tǒng)研究制備工藝參數(shù)對(duì)鑭系元素?fù)诫sBFO薄膜的生長(zhǎng)模式與性能的影響具有重要的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
　　基于上述分析，本論文就鑭系元素?fù)诫s的BFO薄膜展開了相關(guān)的研究工作，主要探討金屬有機(jī)分解法結(jié)合層層退火的制備工藝參數(shù)對(duì)薄膜生長(zhǎng)模式和性能的影響，研究的主要內(nèi)容和結(jié)論如下:

4、>　　1、在ITO/glass襯底上，制備了預(yù)處理溫度分別為225℃、250℃、275℃、300℃、325℃和350℃的Bi0.9Nd0.1FeO3(BNFO)薄膜。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，預(yù)處理溫度對(duì)BNFO薄膜的晶化程度有顯著影響。275℃是BNFO薄膜的碳化溫度，由于碳化顆粒存在于薄膜的晶?；蚓Ы缣?，導(dǎo)致275℃預(yù)處理BNFO薄膜的晶化程度和鐵電性能明顯降低，該薄膜具有最低的剩余極化值和電荷保持性能，老化現(xiàn)象嚴(yán)重。225～300℃預(yù)處理BNFO

5、薄膜中均具有不同含量或不同存在形式的殘余有機(jī)物，這對(duì)薄膜的晶化和鐵電性能產(chǎn)生了一定的負(fù)面作用。
　　2、在ITO/glass襯底上，制備了一系列退火溫度分別為450℃、475℃、500℃、525℃的不同預(yù)處理(225～350℃)Bi0.9Nd0.1FeO3薄膜，并系統(tǒng)研究了預(yù)處理和退火溫度對(duì)BNFO薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果表明，275℃的碳化問(wèn)題很難通過(guò)調(diào)整退火溫度來(lái)消除，不同退火溫度的275℃預(yù)處理BNFO薄膜均具有較低的晶化

6、程度和鐵電性能，應(yīng)避免采用該溫度作預(yù)處理溫度;325℃預(yù)處理BNFO薄膜具有較好的晶化程度和鐵電性能，這表明325℃是本實(shí)驗(yàn)最理想的預(yù)處理溫度。
　　3、在ITO/glass襯底上，通過(guò)調(diào)整勻膠機(jī)的轉(zhuǎn)速制備了單層厚度分別為45nm、40nm、34nm、29nm的不同退火溫度(475℃、500℃、525℃)Bi0.9Nd0.1FeO3薄膜，系統(tǒng)研究了層層退火工藝下，薄膜的單層厚度和退火溫度對(duì)其結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著退火溫度

7、的降低，BNFO薄膜的晶化程度對(duì)單層厚度的依賴性變強(qiáng)，在475℃退火條件下，薄膜的晶化程度隨單層厚度的增加而明顯降低，我們從薄膜的成核與生長(zhǎng)機(jī)制對(duì)其作出解釋。從BNFO薄膜的電滯回線在不同電壓下的演變過(guò)程看出，不同層厚薄膜矯頑場(chǎng)的非對(duì)稱性隨電場(chǎng)的增加而減小，這主要?dú)w因于(Fe2+Fe3+)(')-(VO2-)缺陷對(duì)的斷開;在同一測(cè)試電場(chǎng)下，薄膜矯頑場(chǎng)的非對(duì)稱性隨單層厚度的增加而降低，這是薄膜晶化程度降低、缺陷含量增加的結(jié)果。結(jié)合電滯回線