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锆钛酸钡薄膜电学性能研究与钴铬掺杂改性

作　者: 郭昌澎
导　师: 赵丽丽
学　校: 西北大学
专　业: 集成电路工程
关键词: sol-gel BZT 介电特性 Co掺杂 Cr掺杂
分类号: TM221
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


锆钛酸钡(BaZrxTi1-xO3, BZT)薄膜是锆酸钡和钛酸钡的无限固溶体,其介电和铁电特性不仅与锆和钛两种元素比例有关,而且与不同的掺杂机制也存在密切关系。本论文采用镍酸镧(LaNiO3, LNO)作为底电极,研究薄膜组分及掺杂对BZT薄膜介电常数、介电损耗的影响规律以及外加电场时流过薄膜的漏电流等电学性能。具体工作内容如下：首先,采用sol-gel法在(100)Si衬底上制备LNO薄膜,用来作为测试底电极。通过调整溶剂和络合剂添加量、升温速率和退火温度等工艺得到了表面半整、致密性好的LNO薄膜。采用椭偏仪测得薄膜的厚度约为233nm。折射率为2.3;采用四探针法测得薄膜平均电阻率约为1.57×10-5Ω4·cm。其次,采用sol-gel法在LNO薄膜上制备了不同锆钛比、不同厚度的BZT薄膜.在BZT薄膜上磁控溅射了Ag点电极,测试了薄膜的介电常数、介电损耗与频率的关系,并测试了样品的漏电流和击穿场强。研究发现,相同厚度的样品。随着锆含量增加,介电常数增加,介电损耗变化不大。漏电流减小：相同组分的样品,随着簿膜厚度的增加,介电常数、介电损耗和漏电流都呈减小趋势。这是因为随着锆含量的增加,薄膜有向弥散相转变的趋势。综合分析确定后续实验参考的标准样品,参数如下：薄膜厚度为390nm：在测试场强为25.45KV/cm、测试频率为300KHz时,介电常数为242,介电损耗为0.49;漏电流大小为200μA,击穿场强为1654kV/cm。最后,对BZT薄膜分别进行了Co、Cr元素3%、6%、9%三种浓度的掺杂实验。相同测试条件下的结果表明,Co掺杂BZT薄膜介电常数随着掺杂浓度的增加先增大后减小,掺杂能够使介电损耗减小,介电损耗和漏电流随掺杂浓度的增加而增加,击穿场强有所减小：对于Cr掺杂BZT薄膜,随着掺杂浓度的增加,其介电常数先是增大而后减小,介电损耗以及漏电流大小都减小,击穿场强在增大。论文从空间电荷极化、掺杂取代产生的氧空位“钉扎”作用以及低价元素掺杂抑制Ti4+向Ti3+还原等角度进行相关分析。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-8
第一章 绪论  8-15
  1.1 引言  8-9
  1.2 ABO_3型铁电材料  9-14
    1.2.1 铁电材料基本理论  9-11
    1.2.2 铁电材料研究现状  11-13
    1.2.3 BZT薄膜的研究进展  13-14
  1.3 本论文的主要工作  14-15
第二章 薄膜的制备方法及表征手段  15-23
  2.1 常见BZT薄膜的制备方法  15-17
    2.1.1 济胶-凝胶法  15
    2.1.2 磁控溅射法  15-16
    2.1.3 脉冲激光沉积法(PLD)  16
    2.1.4 金属有机化学气相沉积法(MOCVD)  16-17
  2.2 实验方法的选择和工艺流程确定  17-19
    2.2.1 实验所用的药品与设备  17-18
    2.2.2 实验主要工艺流程  18-19
  2.3 薄膜样品的测试和表征手段  19-22
    2.3.1 X射线衍射  19
    2.3.2 扫描电子显微镜  19-20
    2.3.3 X射线能量色散谱(EDS)  20
    2.3.4 椭偏仪  20
    2.3.5 四探针测试  20-22
    2.3.6 介电性能测试与表征  22
  2.4 本章小结  22-23
第三章 LNO底电极和本征BZT薄膜的制备与电学性能研究  23-42
  3.1 LNO底电极薄膜的制备  23-26
    3.1.1 LNO溶胶-凝胶制备工艺  23-24
    3.1.2 LNO薄膜制备工艺和退火工艺  24
    3.1.3 LNO薄膜表征  24-25
    3.1.4 LNO薄膜电阻率的测量  25-26
  3.2 本征BZT薄膜的制备  26-29
    3.2.1 本征BZT溶胶制备工艺的确定  26-27
    3.2.2 BZT薄膜制备工艺和退火工艺  27-28
    3.2.3 BZT薄膜结构表征  28-29
  3.3 BZT薄膜顶电极的制备  29
  3.4 BZT薄膜电学性能测试与分析  29-40
    3.4.1 薄膜介电常数测试与分析  29-32
    3.4.2 薄膜介电损耗测试与分析  32-34
    3.4.3 薄膜漏电流测试与分析  34-38
    3.4.4 膜厚对BZT薄膜介电特性影响研究  38-40
  3.5 本章小结  40-42
第四章 掺杂BZT薄膜电学性能探究  42-54
  4.1 掺杂BZT薄膜的实验设计  42-44
    4.1.1 BZT薄膜掺杂元素的选择  42-43
    4.1.2 掺杂BZT薄膜的制备工艺流程  43-44
  4.2 Co元素掺杂BZT薄膜性能研究  44-49
    4.2.1 Co掺杂BZT薄膜的结构分析  44-45
    4.2.2 Co掺杂BZT薄膜的成分分析  45-46
    4.2.3 Co掺杂BZT薄膜的介电特性分析  46-48
    4.2.4 Co掺杂BZT薄膜的漏电流大小分析  48-49
  4.3 Cr元素掺杂BZT薄膜性能研究  49-53
    4.3.1 Cr掺杂BZT薄膜的结构分析  49
    4.3.2 Cr掺杂BZT薄膜的成分分析  49-50
    4.3.3 Cr掺杂BZT薄膜的介电特性分析  50-52
    4.3.4 Cr掺杂BZT薄膜的漏电流大小分析  52-53
  4.4 本章小结  53-54
总结与展望  54-56
  工作总结  54-55
  工作展望  55-56
参考文献  56-66
致谢  66

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电工材料 > 强性介质和压电介质 > 铁电体、铁电晶体
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