力-電作用下BDT和NBT-KBT鐵電薄膜疇翻轉(zhuǎn)的實驗研究.pdf

1、目前,制備非揮發(fā)性鐵電存儲器所用的鐵電薄膜材料體系主要還是鋯鈦酸鉛(PZT)系列,這是因為PZT鐵電薄膜具有良好的鐵電性能,如較大的剩余極化(2Pr)值以及具有較低的熱處理溫度等?？墒荘ZT鐵電薄膜由于含鉛,有較大的毒性是它的一個致命的弱點。因此開發(fā)一類新的無鉛鐵電材料來取代PZT鐵電薄膜是非常有必要。稀有金屬離子摻雜鈦酸鉍(Bi4Ti3O12,BIT)鐵電薄膜,具有結(jié)晶溫度較低、抗疲勞特性較好、自發(fā)極化較大的特點;鈦酸鉍鈉(Na0.5

2、Bi0.5TiO3,NBT)具有強鐵電性和較高的居里溫度,可引入其他相結(jié)構(gòu)而降低其漏電和矯頑場。這兩種無鉛鐵電薄膜材料有望成為新的鐵電存儲器專用材料。鐵電疇翻轉(zhuǎn)是鐵電材料產(chǎn)生電滯回線和蝶形曲線的源動力,是引起鐵電材料非線性變化的根本原因。探求鐵電疇翻轉(zhuǎn)行為是鐵電薄膜材料的研究基礎(chǔ)。而引起鐵電疇翻轉(zhuǎn)的原因有很多種,主要有外加應(yīng)力和極化電場等。掃描探針顯微鏡(Scanning force microscopy,SFM)是研究鐵電薄膜納米級電

3、疇結(jié)構(gòu)和動態(tài)翻轉(zhuǎn)的一種非常有力的手段。
　　本文主要采用SFM技術(shù)在不同外加力電場作用下,對摻鏑(Dy)離子的BIT無鉛鐵電薄膜Bi3.15Dy0.85Ti3O12(BDT)和NBT與鈦酸鉍鉀(K0.5Bi0.5TiO3,KBT)二元系固溶體(1-x)Na0.5Bi0.5TiO3-xK0.5Bi0.5TiO3(NBT-KBT)無鉛鐵電薄膜的疇翻轉(zhuǎn)進行研究。主要內(nèi)容如下:
　　(1)通過SFM的探針對BDT鐵電薄膜施加不同的外

4、加力載荷和極化電壓,并實時觀測其在不同的外加力載荷和極化電壓下鐵電疇的翻轉(zhuǎn),并對疇翻轉(zhuǎn)機理進行討論和解釋。在外加力的作用下,BDT鐵電薄膜的電疇發(fā)生了翻轉(zhuǎn),翻轉(zhuǎn)方向與SFM掃描的方式有關(guān)。當掃描方式為“之”字形時,主要發(fā)生了由±90°疇翻轉(zhuǎn)成0°疇的90°疇變。而在單向掃描時,主要發(fā)生了由0°疇翻轉(zhuǎn)成90°疇的90°疇變。而在外加電場下,電疇主要向與外加極化電場相同的方向翻轉(zhuǎn),但是由于晶界效應(yīng)和內(nèi)建電場的產(chǎn)生,導(dǎo)致部分疇向與外加極化電場

5、相反的方向翻轉(zhuǎn)。而在同時施加外加電壓和力載荷時,外加電壓主要導(dǎo)致180°疇翻轉(zhuǎn),而外加力載荷主要導(dǎo)致90°疇翻轉(zhuǎn)。
　　(2)通過SFM的探針對 NBT-KBT鐵電薄膜施加不同的外加力載荷和外加極化電壓,為了與BDT進行對比,所施加的力電大小相等。NBT-KBT與BDT鐵電薄膜施加相同外力和相同的掃描方式時,也發(fā)生了即0°疇向90°疇翻轉(zhuǎn)的90°疇變。但是, NBT-KBT鐵電薄膜的晶粒形變非常明顯,而BDT晶粒的形變非常小。這可