Bi4Ti3O12铁电薄膜的掺杂改性及极化特性的Landau-Devonshire理论研究

摘要

有着低功耗、非挥发性、高读写次数、高存取速度、高密度存储、抗辐射以及与集成电路工艺兼容等特点的铁电随机读写存储器在计算机、国防、航空航天等领域有着广阔的应用前景和发展潜力。铁电薄膜因在铁电随机读写存储器中的应用而备受关注。本论文使用化学溶液沉积法(CSD)针对Bi4Ti3O12(BIT)铁电薄膜的制备与掺杂改性进行较为系统的研究,同时利用朗道-德文希尔(Landau-Devonshire)理论研究了铁电薄膜的极化特性。在实验和理论研究方面的内容和结果概括如下:
　　1.实验上,在A位选择Nd元素,在B位分别选择Mn、Mg、Al、Sc等元素,用CSD法在Pt/Ti/SiO2/Si等不同基片上制备了A、B位共掺杂的Bi3.15Nd0.85Ti2.95Mn0.05O12(BNTMn)、Bi3.15Nd0.85Ti3-xMgxO12(BNTMg(x))、Bi4-xNdxTi2.95Mg0.05O12(BN(x)TMg)、 Bi3.15Nd0.85Ti3-xAlxO12(BNTAl(x))、Bi3.15Nd0.85Ti3-xScxO12(BNTSc(x))和Bi3.15Nd0.85Ti3-x(Alx,Scx)O12(BNT(Al(x),Sc(x))薄膜,探讨了其性能改善的物理机制,得到了如下成果:
　　(1)选用Nd作为BIT薄膜的A位掺杂元素(BNT),详细研究了B位Mg受主掺杂对BNT薄膜性能的影响,着重研究了热处理温度、掺杂含量对BNTMg薄膜的微结构和电学性能的影响。发现700℃为最佳退火温度,薄膜的剩余极化随着掺杂量增加先增加后减小。在BNTMg(x)薄膜中,由于Mg离子的半径比Ti离子的半径大,从而导致TiO6八面体中产生更大的晶格畸变,从而有利于提高铁电薄膜的极化。
　　(2)详细对比了B位Mn和Mg元素的受主掺杂BNT薄膜的铁电性能。研究发现,BNTMg薄膜的剩余极化值大于BNTMn薄膜。一方面,替换Ti4+的Mg2+离子半径(0.072nm)比Mn3+离子半径(0.060nm)大,引起TiO6八面体发生大的晶格畸变;另一方面,铁电性能的改善是外层电子的轨道杂化和晶格畸变共同作用的结果。
　　(3)尝试性地提出在BNT薄膜B位同时掺杂Al和Sc元素,对晶胞中的Ti离子进行双离子替换的思想。实验结果表明,BNT(Al(x),Sc(x)薄膜的铁电、介电等性能比BNTAl(x)、BNTSc(x)薄膜有不同程度的提升与改善,得到了综合改善薄膜铁电性能和漏电流性能的方法。
　　2.理论方面,为了理解薄膜的极化特性,选择了参数完备的BaTiO3薄膜为研究对象,利用Landau-Devonshire理论研究了铁电薄膜的极化特性,取得了如下成果:
　　(1)在Landau-Devonshire热力学理论框架下详细地研究了外推长度d的不同取值对薄膜表面、界面和薄膜内部的极化分布的影响。计算了在拉应力条件下,薄膜厚度分别为80nm、160nm和400nm,d分别为1nm、3nm、6.29nm、8nm时的极化强度。结果表明,薄膜的厚度越小,表面处极化大小的差别越大,剩余极化P则随着外推长度值的增加而增加。
　　(2)计算并给出了BaTiO3在拉应力条件下d分别为3nm、6.29nm、8nm以及在压应力条件下d分别为1.0001nm、2nm、4nm时薄膜的临界厚度。计算表明,外推长度取值越大,临界厚度越小;由外推长度不同带来的剩余极化P的差别随着薄膜厚度增加而减小。说明d的取值对于剩余极化强度的大小及分布的影响不容忽视,并且这种影响会随着薄膜厚度的减小越发敏感。
　　(3)异质膜的晶格失配是无法避免的,薄膜界面附近的晶格常数不仅与基底和薄膜的性质有关,同时还与薄膜的厚度密切相关。讨论并计算了基底和薄膜界面间应力、膜内应力与薄膜厚度的关系,给出了界面应力与薄膜厚度的函数关系式。“耦合”情况下(考虑应力随薄膜厚度的变化情况)的平均剩余极化值小于不“耦合”的极化值,并且这种差别会随着膜厚减小的而增大。

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第一章绪 论

1.1 铁电薄膜材料

1.2 铁电薄膜的研究现状

1.3 铁电薄膜的应用与发展

1.4 本论文的选题依据

1.5 主要研究内容

第二章 BIT基铁电薄膜的制备工艺和分析方法

2.1 BIT基铁电薄膜的制备工艺

2.2 微观结构分析测试法

2.3 电学性能分析测试方法

第三章 BNT铁电薄膜B位受主掺杂的性能研究

3.1 引言

3.2 BIT基铁电薄膜的掺杂

3.3 BNTMg薄膜的制备与性能分析

3.4 BNTMg(x)薄膜的制备与性能分析

3.5 BN(x)TMg薄膜的制备与性能分析

3.6 BNTMg、BNTMn铁电薄膜的性能比较

3.7 本章小结

第四章 BNT铁电薄膜B位双掺杂的性能研究

4.1 引言

4.2 BNT(Al(x),Sc(x))铁电薄膜的制备与性能

4.3 BNTAl(x)、BNTSc(x)与BNT(Al(x),Sc(x))铁电薄膜的性能比较

4.4 本章小结

第五章 薄膜极化特性的Landau-Devonshire理论研究

5.1 引言

5.2 铁电相变及铁电薄膜的理论方法

5.3 有限差分法与变分原理

5.4 外推长度及其意义

5.5 薄膜极化性能与膜厚的关系

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文