鉍基類鈣鈦礦鐵電材料的合成及性質(zhì)研究.pdf

1、近年來，鉍基類鈣鈦礦鐵電材料是鐵電和固態(tài)電解質(zhì)材料應(yīng)用領(lǐng)域備受關(guān)注的功能材料之一，其應(yīng)用研究已成為固態(tài)電子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。它的高居里溫度、低介電常數(shù)、良好的抗疲勞性、高氧離子導(dǎo)電率和環(huán)境友好，在鐵電存儲器和中低溫固態(tài)氧化物燃料電池(SOFC)等應(yīng)用上具有潛在的發(fā)展前景。但是，滿足器件用的鉍基類鈣鈦礦材料還面臨若干問題，例如，鉍基鐵電薄膜的各向異性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題，電解質(zhì)材料滿足器件集成的制備工藝和熱穩(wěn)定問題等。
　　 本論文以

2、釩酸鉍(Bi2VO5.5，BVO)及其金屬摻雜材料為研究對象，針對以上問題研究了BVO體系鐵電薄膜和Bi2ME0.1V0.9O5.5-δ(BIMEVOX.10)電解質(zhì)材料的制備及性能。主要研究結(jié)果如下：
　　 (1)采用化學(xué)溶液沉積(CSD)法，分別在LaNiO3(LNO)/Si(100)、Pt/TiO2/SiO2/Si(100)襯底上制備了c軸取向的高質(zhì)量BVO薄膜。并對CSD工藝做了改進(jìn)，用釩無機(jī)鹽替代最初采用的乙酰丙酮氧釩

3、，成功解決了金屬醇鹽價(jià)格昂貴且不易保存的問題。深入研究了不同退火溫度對BVO薄膜性能的影響。700℃退火后的BVO簿膜顯示出最優(yōu)的性能，具有高度c軸取向，剩余極化和漏電流密度提高到10.62μC/cm2和1.92×10-8A/cm2。分析了260-480 K溫度范圍的介電特性，發(fā)現(xiàn)BVO薄膜中存在的多分散弛豫由氧空位等缺陷引起，傳導(dǎo)機(jī)制主要為氧空位傳導(dǎo)。
　　 (2)研究了BVO薄膜與p-Si(100)襯底集成所形成MFIS(M

4、etal-Ferroelectrics-Insulator-Semiconductor)結(jié)構(gòu)的C-V特性，記憶窗大小約0.5 V，這為BVO薄膜在場效應(yīng)型鐵電存儲器的應(yīng)用提供了優(yōu)化的工藝條件。采用橢偏光譜獲得了BVO薄膜的光學(xué)常數(shù)，有助于開發(fā)其光學(xué)特性上的應(yīng)用。
　　 (3)首次用CSD法合成了具有良好鐵電特性的混合鉍基類鈣鈦礦鐵電薄膜Bi2VO5.5-Bi4Ti3O12,薄膜剩余極化2Pr提高到12.46μC/cm2,漏電流密

5、度為1.17×10-8A/cm2。為提高BVO材料的鐵電特性提供了新技術(shù)途徑。
　　 (4)首次系統(tǒng)研究了不同比例La摻雜對BVO薄膜介電特性的影響。La摻雜使BVO薄膜的介電常數(shù)、介電損耗增加，在少量摻雜(0.025摩爾比)時(shí)表現(xiàn)最明顯。其機(jī)理在于低濃度的La會先進(jìn)行V位替換，La3+和V5+間的非等價(jià)替代及原子半徑間的巨大相差，引起品格體積膨脹和晶格扭曲的結(jié)構(gòu)重排，引發(fā)氧空位V-o等缺陷，造成介電常數(shù)、介電損耗的增加和弛豫程

6、度的顯著增強(qiáng)。
　　 (5)用CSD法成功制備了BIMEVOX.10(ME=Ti，Co，F(xiàn)e，Ni，Mn)薄膜，研究了其結(jié)構(gòu)和電學(xué)特性。重點(diǎn)討論了BIMNVOX.10薄膜在300-485 K溫度范圍的電特性，研究表明BIMNVOX.10薄膜的介電弛豫可能是由氧空位的短程擴(kuò)散傳導(dǎo)引起，屬于多分散性弛豫。發(fā)現(xiàn)BIMNVOX.10薄膜具有室溫弱鐵磁特性。
　　 (6)深入研究了BIMEVOX體系電解質(zhì)材料中具有最高電導(dǎo)率的Bi

7、2Cu0.1V0.9O5.35(BICUVOX.10)粉體和薄膜材料的制備和特性。采用化學(xué)溶液法制備了BICUVOX.10納米粉末，比常規(guī)固相法的合成溫度降低了～300℃。研究了PEG4000表面活性劑、制備方法和粉末分散性間的聯(lián)系。發(fā)現(xiàn)PEG4000能有效改變納米顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象，其添加量和制備方法有關(guān)。利用反向滴定沉淀法獲得了平均粒徑為20 nm的產(chǎn)物，PEG4000的添加量約5wt％。這一結(jié)果為獲得分散性良好的BIMEVOX納米粉末

8、提供了工藝途徑。在LNO/Si(100)上生長了高質(zhì)量的c軸擇優(yōu)取向BICUVOX.10薄膜，300-620 K的中低溫范圍樣品具有高氧離子導(dǎo)電性和良好的熱穩(wěn)定性，氧空位激活能為0.3 eV，600 K下的氧離子電導(dǎo)率為5×10-2 S·cm-1。
　　 (7)首次研究了BVO和BIMEVOX.10(ME=Mn，F(xiàn)e，Co)粉體的磁性，發(fā)現(xiàn)該系列材料均表現(xiàn)出室溫鐵磁特性。經(jīng)過渡金屬離子摻雜后，BVO鐵磁性變強(qiáng)，其中Mn摻雜表現(xiàn)最