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文檔簡介
1、鐵電薄膜因其在非揮發(fā)性鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器方面的潛在應(yīng)用而受到了廣泛關(guān)注。本論文主要是針對新型無鉛、無疲勞Bi4Ti3O12(BIT)基鐵電薄膜材料的制備和改性開展了較為系統(tǒng)的研究工作。一方面,通過共摻雜取代技術(shù)綜合改善了BIT薄膜的電學(xué)性能,使之能滿足在制備鐵電存儲(chǔ)器方面的要求,并利用第一性原理探討了鉍層狀鈣鈦礦鐵電體的成鍵機(jī)制和極化起源;另一方面,本論文將Nd摻雜BIT鐵電體和CoFe2O4(CFO)鐵磁體復(fù)合在一起形成復(fù)合薄膜,使之展現(xiàn)
2、出了磁電耦合等新穎的物理效應(yīng),大大拓展了BIT基鐵電薄膜的應(yīng)用領(lǐng)域;同時(shí),為了滿足器件日益微型化發(fā)展的需要,發(fā)展了兩種制備Nd摻雜BIT鐵電納米線的新技術(shù)。具體工作和結(jié)果概括為以下幾方面:
第一,發(fā)展了制備BIT系無鉛鐵電薄膜的化學(xué)溶液方法,成功制備了A位單摻雜BIT無鉛鐵電薄膜。通過研究摻雜濃度、退火溫度、退火時(shí)間等工藝參數(shù)對薄膜微結(jié)構(gòu)及物理特性的影響,優(yōu)化和完善了BIT鐵電薄膜的制備工藝。
(1)由于BI
3、T基薄膜中的Bi元素在退火過程中容易揮發(fā),于是形成鉍空位(vBi),由于化合價(jià)中和的限制,必然導(dǎo)致氧缺陷(vo)產(chǎn)生,影響薄膜的電學(xué)性能。我們通過在前驅(qū)體溶液中加入一定量的過量Bi實(shí)現(xiàn)了對Bi揮發(fā)的有效補(bǔ)償,并找到了最佳添加量為10%。
(2)在相同工藝條件下制備了不同Nd摻雜量的BIT薄膜,發(fā)現(xiàn)Bi3.15Nd0.85Ti3O12(BNT)薄膜由于具有較強(qiáng)的a-軸取向和大的晶格畸變,而產(chǎn)生了相對較好的鐵電性能。
4、 (3)為了降低長時(shí)間高溫?zé)崽幚韺缑婧捅∧の⒔Y(jié)構(gòu)的影響,我們采用快速熱處理工藝對薄膜進(jìn)行退火,并研究了不同退火溫度和不同退火時(shí)間對BNT薄膜的微結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能的影響。發(fā)現(xiàn)薄膜的鐵電性能和介電性能與退火溫度和退火時(shí)間之間并非單調(diào)遞增的關(guān)系,而是存在最佳退火溫度和退火時(shí)間,分別為700℃和5min。
(4)研究了薄膜厚度對BNT薄膜的微結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著BNT薄膜厚度的增大,2Pr增大,而Ec先增大后減小
5、。
第二,提出了在A位和B位同時(shí)復(fù)合摻雜來綜合改善BIT薄膜鐵電性能、疲勞特性、漏電流等物理性能的思想,在實(shí)驗(yàn)上通過在A位選擇Nd元素,B位分別選擇受主摻雜、等電位摻雜和施主摻雜元素Mn、zr和V,系統(tǒng)研究了BNTM、BNTz和BNTV三種共摻雜BIT無鉛鐵電薄膜,成功實(shí)現(xiàn)了對BIT薄膜剩余極化強(qiáng)度和矯頑場的平衡改善,并探討了物理性能得到改善的物理機(jī)制。
(1)首次選用Nd、Mn作為BIT薄膜的A、B位共摻雜
6、元素,研究發(fā)現(xiàn)適量B位Mn摻雜可以顯著增大剩余極化和降低矯頑場。由于Mn3+受主摻雜,能夠捕獲環(huán)。產(chǎn)生的電子,通過中和Vo的施主特性而阻止了Ti4+向Ti3+變化的還原反應(yīng),從而降低了薄膜疇壁的釘扎效應(yīng)和穩(wěn)定了薄膜的電導(dǎo)性質(zhì),進(jìn)而增大了剩余極化強(qiáng)度和降低了矯頑場。
(2)首次選用Nd、zr作為BIT薄膜的A、B位共摻雜元素,制備了BNTz共摻雜薄膜。
對于B位等電位摻雜的BNTz薄膜而言,因?yàn)閦r4+等價(jià)替代
7、Ti4+,所以摻雜后薄膜的Vo濃度基本不變。但是,一方面由于zr4+的半徑比Ti4+的半徑大得多,因而會(huì)增大晶格畸變,從而提高了薄膜的鐵電性能。另一方面由于zr4+比Ti4+化學(xué)穩(wěn)定性好,可以在某種程度上抑制Ti4+與Ti3+之間的電子跳躍,減小了薄膜的漏電流。
(3)選用Nd、V作為BIT薄膜的A、B位共摻雜元素,制備了BNTV共摻雜薄膜。在B位施主摻雜的BNTV薄膜中,由于V5+取代Ti4+,為保持電中性,Bi含量需要
8、相應(yīng)降低,這將在不產(chǎn)生Vo的情況下形成一定濃度的Vbi,Bbi的進(jìn)一步產(chǎn)生被抑制,因此BNTV薄膜中實(shí)際Vo的濃度遠(yuǎn)低于BNT中的濃度,從而降低了疇釘扎,提高了剩余極化強(qiáng)度。
(4)對比研究A位單摻雜和上述三種A、B位共摻雜的BIT薄膜的鐵電性能發(fā)現(xiàn),A、B位共摻雜是一種有效綜合提高BIT薄膜電學(xué)性能的方法。通過對比B位Mn、zr和V元素的受主、等價(jià)和施主摻雜對薄膜鐵電性能的影響發(fā)現(xiàn),B位Mn受主摻雜和V施主摻雜可以通過氧
9、空位模型來解釋電學(xué)性能得到改善的物理機(jī)制,而B位zr等價(jià)摻雜則是通過增大晶格畸變和穩(wěn)定電導(dǎo)而提高鐵電性能的。B位Mn和zr摻雜可以顯著減小薄膜的矯頑場,這對解決目前A位單摻雜BIT薄膜存在矯頑場大的關(guān)鍵問題有重要意義。B位Mn和V摻雜都可以適當(dāng)降低薄膜的熱處理溫度,這對后續(xù)的鐵電存儲(chǔ)器研究非常有利。
第三,采用基于第一性原理的贗勢投影平面波(PP—PAW)方法系統(tǒng)地研究了BIT鐵電體的總能和電子結(jié)構(gòu),為提高BIT基鐵電薄膜
10、的鐵電性能提供了理論依據(jù)。
(1)總能和電子結(jié)構(gòu)的分析發(fā)現(xiàn),BIT鐵電相的穩(wěn)定性主要是由于Bi2Ti 3 Olo鈣鈦礦層和Bi 202層畸變以及它們相互耦合作用所釋放的馳豫能;B位離子(Ti)與O之間存在強(qiáng)烈的雜化,這是BIT產(chǎn)生鐵電性質(zhì)的主要原因;A位的Bi和O之間存在一個(gè)較弱的共價(jià)雜化,這種共價(jià)作用進(jìn)一步促進(jìn)了鐵電相的穩(wěn)定性。
(2)電荷密度和AIM理論計(jì)算的遷移電荷分析發(fā)現(xiàn),B位離子(Ti)和O之間以及
11、Bi和O之間的共價(jià)雜化是誘導(dǎo)BIT的結(jié)構(gòu)畸變和鐵電性質(zhì)的主要因素;而B位Ti離子和O之問的共價(jià)雜化是形成畸變的主導(dǎo)因素,這種畸變將直接誘導(dǎo)體系出現(xiàn)極化。
(3)第一性原理計(jì)算分析表明,當(dāng)我們采用摻雜的手段,利用不同的離子取代BIT中的B位Ti離子時(shí),誘發(fā)的體系畸變是鐵電屬性改善的一個(gè)直接原因。其次,A位的Bi離子在體系極化過程中起著明顯的制約作用,Bi—O鍵和屬性的變化也將誘導(dǎo)離子之間的電荷遷移,從而改變體系的極化屬性。因
12、此只要尋找到合適的雜質(zhì),采用單摻雜或者雙摻雜的手段,就可以實(shí)現(xiàn)BIT鐵電屬性的改善。
第四,設(shè)計(jì)了BNT-CFO無鉛鐵電鐵磁復(fù)合薄膜體系,并基于自主發(fā)展的復(fù)合薄膜技術(shù)首次實(shí)現(xiàn)了BNT和CFO的顆粒復(fù)合和層狀復(fù)合,觀察到了磁電耦合等新穎的物理效應(yīng),為設(shè)計(jì)磁讀電寫新型存儲(chǔ)器等提供新型無鉛復(fù)合薄膜材料,拓展了BIT基鐵電薄膜在存儲(chǔ)器等方面的應(yīng)用。
(1)制備了電、磁及磁電耦合性能優(yōu)良的BNT—CFO顆粒復(fù)合薄膜,并
13、研究了鐵電相與鐵磁相的復(fù)合比例對薄膜性能的影響。發(fā)現(xiàn),在薄膜生長過程中發(fā)生相分離形成了以CFO小顆粒隨機(jī)地分布在BNT基體中的復(fù)合形式,CFO的加入使薄膜的漏電流和抗疲勞特性得到改善,磁電電壓系數(shù)aE隨著CFO含量的增加而增大,x=O.5的復(fù)合薄膜的aE達(dá)34.5mV/cm,這比有些鉛基復(fù)合薄膜的aE值還要大。
(2)制備了電、磁及磁電耦合性能優(yōu)良的BNT-CFO層狀復(fù)合薄膜,發(fā)現(xiàn)鐵電和鐵磁層的生長順序?qū)Ρ∧さ男阅苡休^大影
14、響。CFO/BNT/襯底(CB)結(jié)構(gòu)的復(fù)合薄膜具有較小的漏電流密度和較大的剩余極化強(qiáng)度,BNT/CFO/襯底(BC)結(jié)構(gòu)和CB結(jié)構(gòu)具有相似的磁特性,BC:復(fù)合薄膜的磁電電壓系數(shù)aE比CB復(fù)合薄膜的大。
第五,發(fā)展了靜電紡絲法和溶膠一凝膠氧化鋁模板法制備BNT鐵電納米線的工藝,并對制備條件的影響規(guī)律進(jìn)行了初步探索,成功制備出了電學(xué)性能優(yōu)良的BNT無鉛鐵電納米線。
(1)以PVP為聚合物,首次采用靜電紡絲法制備了
15、BNT鐵電納米線,納米線具有較高的壓電系數(shù),可用于制動(dòng)器、傳感器和探測器等方面。隨煅燒溫度的提高,BNT納米線的結(jié)晶性增強(qiáng),直徑減小。經(jīng)600-700℃煅燒后的納米線,形態(tài)結(jié)構(gòu)較好,直且均勻,直徑約為70~160nm。而經(jīng)800℃煅燒后的樣品,其納米線則出現(xiàn)斷裂,而且不均勻,可見較大晶粒。DSC研究發(fā)現(xiàn)BNT納米線在675℃左右出現(xiàn)鐵電相變,并表現(xiàn)出弛豫鐵電體的特征。經(jīng)600℃、700℃和800℃煅燒得到的納米線在-10V到10V電壓掃
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