Na0.5Bi0.5TiO3基薄膜的介电可调谐性研究

摘要

在最近几十年中，人们对环境友好型无铅铁电材料的研究越来越感兴趣，并希望通过性能改进获得具有优越性能并且可取代铅基材料的无铅铁电材料。Na0.5Bi0.5TiO3(NBT)被认为是一种性能良好的替代品，已被广泛地研究。鉴于这种材料的介电常数随电压变化的非线性特性，可以被应用在移相器、可调振荡器、滤波器以及变容二极管器件中。应用到上述器件中时，这种具有可调谐特性的材料要求具有相对小的漏电(J)、适中的介电常数(εr)、低的介电损耗(tanδ)以及大的调谐性(tunability)和品质因数(FOM)。然而，NBT基材料中A位元素(Na、Bi)易挥发，这往往导致薄膜中氧空位的产生和增加，从而引起薄膜中大的漏电。因此，纯相NBT薄膜很难获得优异的性能。为了提高NBT基薄膜的性能，研究人员已经尝试了多种改性方法。例如：引入缓冲层，制备外延膜，构建多层结构，与其他物质形成固溶体等。此外，离子掺杂也被认为是一种有效的手段， B位低价离子掺杂后能够束缚氧空位的移动，进而降低薄膜漏电，有效地提高其电学性能。
　　在所有制备薄膜的工艺中，金属有机分解法被认为是一种简单可操作性强的制备工艺而被广泛地应用。在本论文中，我们利用金属有机分解法结合层层退火工艺制备了Zn2+离子掺杂的 NBT基薄膜；重点研究了 Zn2+离子的掺杂量以及薄膜制备的工艺参数(包括，退火温度、单层膜厚、退火气氛)对薄膜的结晶性以及电学性能(绝缘性、铁电性、介电可调谐性)的影响。工作内容如下：
　　1、制备了不同Zn2+离子掺杂量的NBT薄膜(NBTZnx, x=0~4 at.％)，并研究了Zn2+离子掺杂量对薄膜的微观结构以及电学性能的影响。与其他薄膜相比，NBTZn0.01薄膜的绝缘性和铁电性较高，当电场强度为300 kV/cm时，漏电流密度在10-4 A/cm2左右；而薄膜在被击穿前的剩余极化(Pr)最大值可达24.8μC/cm2。此外，在测试条件为300 kV/cm、100 kHz时该薄膜的介电调谐性可达43.6%。
　　2、将Zn2+离子掺杂量为1 at%的NBT薄膜在450～600°C的温度范围进行了退火。结果显示薄膜在500°C的较低温度下就能生成钙钛矿结构。其中550°C退火得到的薄膜相比其他退火温度下得到的薄膜具有更优异的性能，300 kV/cm、100 kHz时该薄膜的介电调谐性为43.6%。
　　3、在550°C退火温度下我们制备了单层膜厚分别为35、25、20和15 nm的NBTZn0.01薄膜，20 nm/l的薄膜高的(110)择优取向性和其断面中展示出来的柱状结构相一致。同时，该薄膜展现出了较大的调谐性和品质因数，在300 kV/cm、100 kHz下其值分别为46.5%和8.8。
　　4、在ITO衬底以及不同的退火气氛下(air, N2, O2, O2/N2)制备了NBTZn0.01薄膜。其中O2/N2气氛下的到的薄膜具有好的绝缘性，这主要与该膜均匀的晶粒尺寸以及致密的微观结构有关。300 kV/cm、100 kHz测试条件下，该膜的介电可调谐性为47.6%，品质因子为7.9。

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第一章 绪 论

1.1 铁电材料概述

1.2 铁电薄膜材料

1.3 铁电材料的非线性特征

1.4 Na0.5Bi0.5TiO3概述

1.5 本论文研究目的及主要内容

第二章 实验方案设计与研究方法

2.1 实验原料及仪器设备

2.2 薄膜的制备

2.3 薄膜结构及性能表征手段

2.4 前驱体溶液的配制和放置时间的研究

2.5 本章小结

第三章 Zn2+掺量对Na0.5Bi0.5TiO3薄膜结构和性能的影响

3.1 Zn2+掺量对Na0.5Bi0.5TiO3薄膜结晶性的影响

3.2 Zn2+掺量对Na0.5Bi0.5TiO3薄膜绝缘性和铁电性的影响

3.3 Zn2+掺量对Na0.5Bi0.5TiO3薄膜介电调谐性的影响

3.4 小结

第四章 退火温度对Na0.5Bi0.5Ti0.99Zn0.01O3薄膜结构和性能的影响

4.1 不同退火温度下Na0.5Bi0.5Ti0.99Zn0.01O3薄膜的结晶性

4.2 不同退火温度下Na0.5Bi0.5Ti0.99Zn0.01O3薄膜的绝缘性和铁电性

4.3 不同退火温度下Na0.5Bi0.5Ti0.99Zn0.01O3薄膜的介电调谐性

4.4 小结

第五章 单层膜厚对Na0.5Bi0.5Ti0.99Zn0.01O3薄膜结构和性能的影响

5.1 不同单层膜厚Na0.5Bi0.5Ti0.99Zn0.01O3薄膜的结晶性

5.2 不同单层膜厚Na0.5Bi0.5Ti0.99Zn0.01O3薄膜的绝缘性

5.3 不同单层膜厚Na0.5Bi0.5Ti0.99Zn0.01O3薄膜的介电调谐性

5.4 小结

第六章 退火气氛对Na0.5Bi0.5Ti0.99Zn0.01O3薄膜结构和性能的影响

6.1 不同退火气氛Na0.5Bi0.5Ti0.99Zn0.01O3薄膜的结晶性

6.2 不同退火气氛Na0.5Bi0.5Ti0.99Zn0.01O3薄膜的绝缘性

6.3 不同退火气氛Na0.5Bi0.5Ti0.99Zn0.01O3薄膜的介电调谐性

6.4 小结

第七章 结论与展望

7.1 主要研究结论

7.2 创新点

7.3 工作展望

参考文献

致谢

附录