高度取向鈦鐵酸鉍鉍層結(jié)構(gòu)鐵電薄膜的磁控濺射制備及其性能研究.pdf

1、眾所周知，鉍層狀結(jié)構(gòu)鐵電體是一種無鉛信息功能型材料。其居里溫度高，低介電常數(shù)，低介電損耗，抗老化，抗疲勞等優(yōu)點(diǎn)促使其在高溫、高頻工業(yè)領(lǐng)域和非易失性鐵電存儲領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。與傳統(tǒng)的鋯鈦酸鉛(PZT)壓電陶瓷相比，鉍層狀結(jié)構(gòu)鐵電體具有居里溫度高和無毒的特點(diǎn);盡管，鎢青銅型壓電陶瓷具有很高的居里溫度，苛刻的極化條件限制了其壓電響應(yīng)。采用射頻磁控濺射技術(shù)制備的鐵電薄膜滿足了電子器件向小型化和集成化的功能化發(fā)展趨勢，具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):尺寸小

2、;質(zhì)量輕;工作電壓低。
　　本課題采用傳統(tǒng)固相法制備Bi5FeTi3O15壓電陶瓷與靶材，系統(tǒng)研究其物相結(jié)構(gòu)、表面形貌、介電性能和壓電性能。研究結(jié)果表明，Bi5FeTi3O15壓電陶瓷具有良好的電學(xué)性能，為Bi5FeTi3O15靶材的制備提供了依據(jù)。
　　通過綜合考慮“應(yīng)變工程”、“尺寸效應(yīng)”和“缺陷化學(xué)”等設(shè)計(jì)鐵電薄膜的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，本課題采用射頻磁控濺射技術(shù)制備鐵電薄膜。利用X射線衍射技術(shù)確定其物相結(jié)構(gòu);利用掃描電子顯微鏡對

3、其表面形貌進(jìn)行表征;利用精密阻抗分析儀測試其介電頻譜和介電溫譜等介電性能;利用鐵電性能綜合測試儀測試其電滯回線、漏電流曲線、PUND等鐵電性能。本文的主要研究內(nèi)容有:
　　(1)通過固相燒結(jié)法制備的Bi5FeTi3O15壓電陶瓷中，具有化學(xué)計(jì)量比的組分具有最佳的壓電性能，其壓電常數(shù)高達(dá)18 pC/N，機(jī)械品質(zhì)因子為2925，其居里溫度為760℃，并且在機(jī)電耦合系數(shù)方面表現(xiàn)出各向異性。
　　(2)研究不同的工藝參數(shù)，如濺射溫度

4、、濺射功率、濺射氣壓、濺射氣氛、降溫氣氛等，對鐵電薄膜物相結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能的影響，并對工藝優(yōu)化后的Bi/Ti/Pt/BFTO異質(zhì)結(jié)構(gòu)鐵電薄膜的物相結(jié)構(gòu)、表面形貌和電學(xué)性能進(jìn)行表征。
　　(3)制備出性能優(yōu)良的MgO/SRO/BFTO異顧結(jié)構(gòu)鐵電薄膜和Si/YSZ/SRO/BFTO異質(zhì)結(jié)構(gòu)鐵電薄膜。介電性方面，Si/YSZ/SRO/BFTO異質(zhì)結(jié)構(gòu)鐵電薄膜(b)具有最大的相對介電常數(shù)，在測試頻率為1KHz時(shí)，其相對介電常數(shù)為447;結(jié)

5、構(gòu)方面，兩組異質(zhì)結(jié)構(gòu)鐵電薄膜均為a疇取向的多晶結(jié)構(gòu)，其中，MgO/SRO/BFTO異質(zhì)結(jié)構(gòu)鐵電薄膜(a)接近BFTO（0180）的外延結(jié)構(gòu)。
　　(4)以不同取向鈦酸鍶(SrTiO3)為基底，沉積鐵電薄膜，研究基底取向?qū)τ阼F電薄膜物相結(jié)構(gòu)、表面形貌和電學(xué)性能的影響。X射線衍射圖譜揭示了BFTO(001)∥SrTiO3(001), BFTO(082)/(280)∥SrTiO3(110)和BFTO(2216)∥SrTiO3(111)的