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BiFeO_3-基多重铁性薄膜的制备与性能研究
作 者: 陈雪梅
导 师: 胡广达
学 校: 济南大学
专 业: 材料物理与化学
关键词: 多重铁性 铁电薄膜 BiFeO3 压电常数 金属有机物分解法
分类号: TB383.2
类 型: 硕士论文
年 份: 2010年
下 载: 79次
引 用: 4次
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内容摘要
作为一种典型的单相多铁性钙钛矿材料,BiFeO3是少数在室温下同时具有铁电性(居里温度TC850℃)和铁磁性(尼尔温度TN370℃)的材料之一,在信息存储器、自旋电子器件、传感器和微机电系统等方面有着潜在的应用前景。但是,利用金属有机物分解法制备的BiFeO3薄膜漏电流较高,矫顽场较大,磁性较弱,而且只能在厚度大于400 nm时才能观察到饱和的P-E电滞回线。因此,为了满足未来微电子器件的要求,降低BiFeO3-基薄膜的漏电流、矫顽场和厚度,以及提高薄膜的铁电和铁磁性能是目前亟待解决的几个关键问题。针对上述问题,本文着重于采用形成双层结构以及掺杂镧系元素的方法来降低BiFeO3-基铁电薄膜的漏电流,提高其铁电、压电和铁磁性能。本论文采用金属有机分解法结合层层退火工艺,在不同的衬底上分别制备了BiFeO3-基铁电薄膜,系统研究了Bi3.5Nd0.5Ti3O12、PbZr0.2Ti0.79Nb0.01O3过渡层以及镧系元素Sm和Tb的掺杂对BiFeO3-基薄膜的结构、漏电、铁电以及磁学性能的影响。研究的主要内容以及得出的结论如下:在ITO/Si衬底上,制备了不同厚度的Bi3.5Nd0.5Ti3O12过渡层(0,40,80,160 nm),研究了过渡层的厚度对沉积在其表面的BiFeO3薄膜的结构、漏电以及多铁性能的影响。结果表明,沉积在Bi3.5Nd0.5Ti3O12过渡层的BiFeO3薄膜的漏电流比直接沉积在ITO/Si衬底上的BiFeO3薄膜低了约两到三个数量级。沉积在40nm厚的Bi3.5Nd0.5Ti3O12过渡层上的BiFeO3薄膜(110)-取向晶粒的择优度最高,剩余极化最大,电荷保持力最好,而且易被磁化。随着Bi3.5Nd0.5Ti3O12过渡层厚度的增加,BiFeO3薄膜(110)-取向晶粒的择优度、P-E回线的矩形度、剩余极化以及电荷保持力均下降。这说明,Bi3.5Nd0.5Ti3O12过渡层最佳的厚度为40 nm,该厚度足以能够降低BiFeO3薄膜的漏电流,提高BiFeO3薄膜的多铁性能。在ITO/glass衬底上,分别制备了一系列Bi1-xSmxFeO3和Bi1-xTbxFeO3薄膜,研究了不同Sm掺量(x=0~20%)和Tb掺量(x=0~16%)对BiFeO3薄膜的结构以及电学性能的影响。结果表明,制备的Bi1-xSmxFeO3薄膜均高(110)-取向的多晶薄膜。对于Bi1-xSmxFeO3体系,在Sm掺量为14%附近,薄膜的结构可能发生了转变,在Sm掺量为16%处,薄膜的剩余压电常数最大。Sm的掺杂降低了Bi1-xSmxFeO3薄膜的漏电流,从而得到了矩形度较好且饱和的P-E电滞回线,Bi1-xSmxFeO3薄膜的剩余极化随着Sm掺量的增加而单调下降。在整个Sm掺杂的范围内,都没有观察到双电滞回线现象。在Bi1-xTbxFeO3体系中,也发现了同Bi1-xSmxFeO3体系类似的现象,但是Bi1-xTbxFeO3薄膜发生结构转变以及出现最大剩余压电常数时的元素掺量不同,该薄膜的结构转变点发生在Tb掺量为11%附近,恰在此掺量处,薄膜的剩余压电常数和饱和磁化强度均最大。Bi1-xSmxFeO3和Bi1-xTbxFeO3体系出现的这种不同的现象可能是因为Sm3+和Tb3+的离子半径不同,从而导致BiFeO3薄膜发生晶格畸变的程度不同。为了进一步降低BiFeO3-基薄膜的矫顽场和厚度,提高其抗击穿能力,我们又在Pt(111)/Ti/SiO2/Si衬底上,以40 nm厚的PbZr0.2Ti0.79Nb0.01O3作为过渡层,制备了不同厚度的Bi0.89Tb0.11FeO3薄膜(200 nm, 280 nm, 360 nm,和440 nm)。由于PbZr0.2Ti0.79Nb0.01O3过渡层的矫顽场较小,抗老化能力较强,所以沉积在其表面的Bi0.89Tb0.11FeO3薄膜的漏电流、矫顽场以及矫顽场的非对称程度均被大幅度的降低。Bi0.89Tb0.11FeO3薄膜的漏电流随着薄膜厚度的增加而降低,剩余极化和矫顽场对薄膜厚度的依赖性很弱,所有薄膜的剩余极化和矫顽场均分别位于45μC/cm2和200 kV/cm左右。200 nm厚的Bi0.89Tb0.11FeO3薄膜几乎没有明显的疲劳和电荷损失。总之,本论文通过形成双层结构和掺杂改性技术,降低了BiFeO3-基薄膜的漏电流,改善了薄膜的多铁性能,从而为以后微电子器件的研发打下了坚实的基础。
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全文目录
摘要 7-9 Abstract 9-12 第一章 绪论 12-24 1.1 多铁性材料概况 12-15 1.1.1 铁电性 12-13 1.1.2 铁磁性 13-14 1.1.3 多铁性材料的应用 14-15 1.2 单相多铁性材料BiFe0_3 15-20 1.2.1 BiFe0_3 的结构与性能 15-16 1.2.2 BiFe0_3 薄膜的研究进展 16-20 1.3 本课题研究的目的及意义 20-23 1.4 本课题的研究工作 23-24 第二章 实验方案设计与研究方法 24-30 2.1 试验药品及常用设备 24-25 2.2 铁电薄膜的制备 25-27 2.2.1 BiFe0_3 前驱体溶液的配置 25 2.2.2 Bi_(3.5)Nd_(0.5)Ti_30_(12) 前驱体溶液的配置 25 2.2.3 PbZr_(0.2)Ti_(0.79)Nb_(0.01)0_3 前驱体溶液的配置 25-26 2.2.4 制备铁电薄膜的工艺流程 26-27 2.3 薄膜的表征方法 27-30 2.3.1 X 射线衍射 27 2.3.2 原子力显微镜 27-28 2.3.3 扫描电子显微镜 28 2.3.4 铁电性能测试 28-29 2.3.5 铁磁性能的测试 29-30 第三章 不同厚度Bi_(3.5)Nd_(0.5)Ti_30_(12)过渡层对BiFe0_3薄膜结构和性能的影响 30-44 3.1 引言 30 3.2 不同厚度Bi_(3.5)Nd_(0.5)Ti_30_(12) 过渡层对BiFe0_3 薄膜取向的影响 30-33 3.3 不同厚度Bi_(3.5)Nd_(0.5)Ti_30_(12) 过渡层对BiFe0_3 薄膜表面形貌的影响 33-36 3.4 SEM 图像分析 36-37 3.5 不同厚度Bi_(3.5)Nd_(0.5)Ti_30_(12) 过渡层对BiFe0_3 薄膜漏电流的影响 37-38 3.6 不同厚度Bi_(3.5)Nd_(0.5)Ti_30_(12) 过渡层对BiFe0_3 薄膜电学性能的影响 38-42 3.6.1 不同厚度Bi_(3.5)Nd_(0.5)Ti_30_(12) 过渡层对BiFe0_3 薄膜电滞回线的影响 38-39 3.6.2 不同厚度Bi_(3.5)Nd_(0.5)Ti_30_(12) 过渡层对BiFe0_3 薄膜保持性能的影响 39-40 3.6.3 不同厚度Bi_(3.5)Nd_(0.5)Ti_30_(12) 过渡层对BiFe0_3 薄膜疲劳性能的影响 40-41 3.6.4 40 nm 厚的Bi_(3.5)Nd_(0.5)Ti_30_(12) 过渡层对BiFe0_3 薄膜铁磁性能的影响 41-42 3.7 小结 42-44 第四章 Bi_(1-x)SmxFe0_3薄膜的制备与电学性能研究 44-54 4.1 引言 44-45 4.2 Bi_(1-x)SmxFe0_3 薄膜的晶体结构 45-46 4.3 Bi_(1-x)SmxFe0_3 薄膜的电学性能 46-51 4.3.1 Bi_(1-x)SmxFe0_3 薄膜的压电性能 46-48 4.3.2 Bi_(1-x)SmxFe0_3 薄膜的漏电流 48-49 4.3.3 Bi_(1-x)SmxFe0_3 薄膜的电滞回线 49-51 4.3.4 Bi_(1-x)SmxFe0_3 薄膜的疲劳性能 51 4.4 小结 51-54 第五章 Bi_(1-x)Tb_xFe0_3薄膜的制备与多铁性能研究 54-64 5.1 引言 54 5.2 Bi_(1-x)Tb_xFe0_3 薄膜的晶体结构 54-55 5.3 Bi_(1-x)Tb_xFe0_3 薄膜的多铁性能 55-63 5.3.1 Bi_(1-x)Tb_xFe0_3 薄膜的压电性能 55-57 5.3.2 Bi_(1-x)Tb_xFe0_3 薄膜的畴结构 57-58 5.3.3 Bi_(1-x)Tb_xFe0_3 薄膜的漏电流 58-59 5.3.4 Bi_(1-x)Tb_xFe0_3 薄膜的电滞回线 59-61 5.3.5 Bi_(1-x)Tb_xFe0_3 薄膜的疲劳性能 61 5.3.6 Bi_(1-x)Tb_xFe0_3 薄膜的铁磁性能 61-63 5.4 小结 63-64 第六章 PbZ10.2Ti0.79N60.010_3过渡层对Bi_(0.89)Tb_(0.11)Fe0_3薄膜结构及电学性能的影响. 64-74 6.1 引言 64-65 6.2 Bi_(0.89)Tb_(0.11)Fe0_3 薄膜的晶体结构 65-66 6.3 Bi_(0.89)Tb_(0.11)Fe0_3 薄膜的电学性能 66-72 6.3.1 Bi_(0.89)Tb_(0.11)Fe0_3 薄膜的漏电流 66-67 6.3.2 Bi_(0.89)Tb_(0.11)Fe0_3 薄膜的电滞回线 67-68 6.3.3 Bi_(0.89)Tb_(0.11)Fe0_3 薄膜矫顽场的非对称性 68-70 6.3.4 Bi_(0.89)Tb_(0.11)Fe0_3 薄膜的疲劳性能和保持性能 70-71 6.3.5 Bi_(0.89)Tb_(0.11)Fe0_3 薄膜的压电性能 71-72 6.4 小结 72-74 第七章 结论与展望 74-76 7.1 主要结论 74-75 7.2 主要创新点 75 7.3 工作展望 75-76 参考文献 76-82 致谢 82-83 附录 83-84
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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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