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BDT铁电薄膜和ZnO纳米带压电性能的测试与表征

作　者: 荣英凤
导　师: 郑学军
学　校: 湘潭大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: BDT铁电薄膜 ZnO纳米带铁电特性压电系数机电耦合系数
分类号: TB383.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

铋层状铁电材料具有优良的铁电性能,如高的剩余极化值、良好的抗疲劳特性、较高的居里温度及小的漏电流,因而它特别适合于高温、高频条件下的使用,在铁电存储器领域有着广泛的应用前景。随着微电子技术的发展和高度集成化趋势对材料的要求,铋层状铁电薄膜材料的制备和性能研究成为目前国际上研究的热点。除了铁电特性外,铋层状铁电材料的压电性能也具有重要的应用价值。本文第1章对铁电薄膜和Ⅱ-Ⅵ族半导体压电纳米带的发展概况、应用前景、制备方法和研究现状进行了综述。在此基础上,提出了本文的研究内容,即采用金属有机物分解（MOD）法制备Bi_4-xDy_xTi₃O₁₂ （BDT）铁电薄膜,探讨退火温度对薄膜的表面形貌、电滞回线、压电系数的影响,同时对Ⅱ-Ⅵ族压电纳米带的压电性能和机电耦合性能进行研究。第2章以铋层状钙钛矿铁电薄膜材料BDT为研究对象,运用MOD技术,在Pt/Ti/SiO₂/Si（111）的基底上采用不同退火温度（600°C-800°C）制备了BDT （x=0.85）薄膜。本章详细地介绍了MOD法制备BDT薄膜的工艺流程和工艺参数;借助X射线衍射技术（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、铁电分析仪、压电测试仪分别表征了BDT薄膜的微观结构、电学性能和压电性能,并比较分析了退火温度对BDT薄膜的微观结构、铁电性能和压电性能的影响;确定了700°C为MOD法制备BDT薄膜的最佳退火温度。700°C下的BDT薄膜,在690 kV/cm电场强度下的剩余极化和自发极化强度分别为16.2μC/cm2和23.3μC/cm2,310 kV/cm电场强度下的最大压电系数为63 pm/V。压电性能的改进使得BDT薄膜成为一种应用于压电薄膜器件的候选材料。第3章采用热蒸发方法制备了ZnO纳米带,并通过真空蒸发和溅射等方法制备了不同的金属薄膜电极。借助XRD、SEM、TEM表征了ZnO纳米带的微观结构,并利用Kelvin探针系统测试了分散在不同金属电极上的ZnO纳米带的表面电子功函数和表面光伏特性。得到Pt、Ti和Ag电极与纳米带接触的功函数分别为5.25 eV、4.65 eV和4.33 eV,确定了Pt、Ti电极与ZnO纳米带之间的接触为肖特基接触,而Ag电极与ZnO纳米带之间的接触为欧姆接触。第4章提出了测试Ⅱ-Ⅵ族纳米带机电耦合系数的方案。利用简支梁结构,推导出纳米带机电耦合系数的理论公式,并验证了利用接触电阻（ECR）测试系统进行实验测量的可行性。通过分析影响耦合系数测量的因素,设计出了合理的孔状电极结构,并将纳米带搭建在孔状电极上。另一方面,从理论上解释了利用纳米带的压电特性和半导体特性相互耦合产生电流的机理。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-17
  1.1 压电性和压电材料  9
  1.2 BIT 压电陶瓷  9-11
    1.2.1 BIT 的结构  9
    1.2.2 BIT 研究现状  9-11
  1.3 ZnO 压电半导体  11-12
    1.3.1 ZnO 晶体结构及研究现状  11-12
    1.3.2 ZnO 压电性能的应用  12
  1.4 压电薄膜的压电性能  12-13
  1.5 ZnO 纳米带的机电耦合特性  13-15
  1.6 本文的研究内容及意义  15-17
第2章 BDT 铁电薄膜的制备和铁电/压电性能表征  17-33
  2.1 BDT 铁电薄膜的制备  17-23
    2.1.1 实验设备和材料  17-18
    2.1.2 薄膜的MOD 法制备  18-21
    2.1.3 上电极Au 的制备  21-23
  2.2 BDT 铁电薄膜微结构与铁电/压电性能的测试  23-26
    2.2.1 BDT 铁电薄膜微结构的SEM 表征  23
    2.2.2 BDT 铁电薄膜晶体结构的XRD 分析  23
    2.2.3 BDT 铁电薄膜的电滞回线  23-25
    2.2.4 BDT 铁电薄膜的蝴蝶回线  25-26
  2.3 退火温度对BDT 薄膜微结构与铁电/压电性能的影响  26-31
    2.3.1 退火温度对薄膜晶体结构的影响  26-28
    2.3.2 退火温度对薄膜表面形貌的影响  28
    2.3.3 退火温度对薄膜剩余极化强度的影响  28-30
    2.3.4 退火温度对薄膜压电系数的影响  30-31
  2.4 本章小结  31-33
第3章功函数对ZnO 纳米带压电性能的影响  33-45
  3.1 ZnO 纳米带的制备  33-34
    3.1.1 热蒸发法制备ZnO 纳米带  33
    3.1.2 ZnO 纳米带的形貌结构  33-34
  3.2 功函数与ZnO 纳米带压电性能的关系  34-38
    3.2.1 ZnO 纳米带压电性能测试原理  34-36
    3.2.2 导电探针与ZnO 纳米带功函数  36-37
    3.2.3 功函数与ZnO 纳米带压电性能的关系  37-38
  3.3 不同金属薄膜电极上ZnO 纳米带功函数的测试  38-41
    3.3.1 金属薄膜电极制备  38-39
    3.3.2 Kelvin 探针测试功函数原理  39-40
    3.3.3 不同金属薄膜电极与ZnO 纳米带功函数的测试  40-41
  3.4 功函数差对ZnO 纳米带有效压电系数测量的影响  41-43
  3.5 本章小结  43-45
第4章 ZnO 纳米带的机电耦合系数  45-56
  4.1 ZnO 纳米带的机电转换  45-46
    4.1.1 纳米带的机电耦合系数  45
    4.1.2 悬臂梁结构下纳米带的机电转换  45-46
    4.1.3 简支梁结构下纳米带的机电转换  46
  4.2 ZnO 纳米带机电耦合系数测量的简支梁模型  46-50
    4.2.1 模型的提出  46-47
    4.2.2 单个梁弯曲周期中纳米带获得的弹性能  47-49
    4.2.3 单个梁弯曲周期中纳米带输出的电能  49-50
  4.3 简支梁模型下ZnO 纳米带机电耦合系数的测量  50-55
    4.3.1 底电极的设计与制备  50-52
    4.3.2 ZnO 纳米带简支梁的制备  52
    4.3.3 单个梁弯曲周期中纳米带获得的弹性能测量  52-54
    4.3.4 单个梁弯曲周期中纳米带输出的电能的测量  54-55
  4.4 本章小结  55-56
第5章总结与展望  56-58
  5.1 总结  56
  5.2 展望  56-58
参考文献  58-62
致谢  62-63
攻读硕士学位期间发表的学术论文与研究成果  63

BDT铁电薄膜和ZnO纳米带压电性能的测试与表征

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