LaNiO3缓冲层对钙锶铋钛陶瓷膜晶粒取向的影响

摘要

铋层状铁电材料(Bismuth Layer-structured Ferroelectrics，BLSFs)因具有较大的剩余极化强度Pr，较低的矫顽场Ec以及抗疲劳性能好等优点，成为非挥发性铁电随机存储器(NonvolatileRandom Access Memory，NVFeRAMs)研究的主要材料。BLSFs的化学通式为(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-，其中(Bi2O2)2+为层状结构，(Am-1BmO3m+1))2-为类钙钛矿结构，层状结构(Bi2O2)2+(简称铋层)与类钙钛矿结构层(以氧八面体BO6为标志)交替排列，A一般为+1，+2或者+3价离子，B为+3，+4或者+5价离子，m为类钙钛矿层(氧八面体BO6)的个数。
　　 一种典型的铋层状钙钛矿结构铁电材料SrBi4Ti4O15(SBTi)，有着较大的剩余极化强度和较好的抗疲劳性能，但是其居里温度(520℃)较低，限制了它在高温高压装置上的应用。CaBi4Ti4O15(CBTi)是与SBTi结构相同的铋层状钙钛矿结构铁电材料，其突出的优点恰是居里温度较高(790℃)。为此，本课题组对SBTi铁电薄膜进行了Ca2+取代改性研究，结果表明，Ca2+取代Sr2+量为0.4时，即Ca0.4Sr0.6Bi4Ti4O15(简称Ca0.4Sr0.6BTi)薄膜样品的铁电性能良好。
　　 LaNiO3(简称LNO)薄膜，且具有良好的化学和热稳定性。其晶格常数为0.384nm，与大多数铁电薄膜的晶格常数相近，特别是具有赝立方结构，可以和具有钙钛矿结构的铁电材料较好地实现晶格匹配。因此LNO薄膜在作为铁电薄膜底电极方面的应用具有广阔前景。本文以LNO薄膜及Ca0.4Sr0.6BTi/LNO薄膜取为研究对象进行了系统的探讨和研究，并取得了一些有意义的结果。
　　 首先利用溶胶-凝胶法在Si(100)基片上制备了LNO氧化物导电薄膜。研究了前躯体浓度、热分解温度、退火温度、退火时间、薄膜厚度等不同工艺条件对LNO薄膜结构和导电性的影响，总结了制备具有(110)择优取向且电阻率较低的LNO薄膜最佳制备工艺条件为：前躯体浓度为0.2mol/L，热分解温度为350℃、退火温度为750℃，退火时间600s，厚度为250nm。SEM照片表明LNO薄膜表面致密平整，没有裂纹等缺陷，为后续的Ca0.4Sr0.6BTi薄膜的生长提供了平滑的界面。同时发现，LNO薄膜与Si在晶格上存在一种匹配关系：{LNO[110]//Si[100]}。
　　 其次在LNO缓冲层上制备了Ca0.4Sr0.6BTii薄膜样品。研究了不同LNO制备工艺条件对Ca0.4Sr0.6BTi铁电薄膜的影响。研究发现，Ca0.4Sr0.6BTi薄膜并没有因LNO缓冲层的引入而产生杂相，得到的仍为纯铋层状钙钛矿结构，薄膜样品呈a取向择优。同时发现，LNO薄膜与Si在晶格上存在一种匹配关系：{LNO[110]//Ca0.4Sr0.6BTi[100]}。
　　 探讨了LNO缓冲层厚度对Ca0.4Sr0.6BTi薄膜结构和性能的影响，发现当引入的LNO缓冲层厚度为250nm时，Ca0.4Sr0.6BTi薄膜I(200)/I(119)为1.2，介电常数(εr)为230，损耗因子(tanδ)为0.068，剩余极化强度(Pr)为17.5μC/cm2，对应矫顽电场(Ec)为84.6kV/cm。
　　 最后研究了匀胶速度、热分解温度与热处理温度对Ca0.4Sr0.6BTi/LNO薄膜取向和性能的影响。用X射线衍射表征了薄膜的晶体结构，用扫描电镜观察了样品显微形貌。根据实验结果和分析，得出制备a轴择优的Ca0.4Sr0.6BTi/LNO薄膜的优化热处理工艺条件为：匀胶速度4000r/min，热分解温度400℃，退火温度为725℃。所制备的a择优取向的Ca0.4Sr0.6BTi/LNO薄膜样品结晶良好，I(200)/I(119)为1.5，晶粒多呈球状。电性能测试结果显示剩余极化强度较高，Pr为19.4μC/cm2，对应矫顽电场为50kV/cm，介电常数为249，损耗因子(tanδ)为0.035，表现出良好的电学性能。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪 论

1.1 铁电材料

1.2 铁电材料的分类

1.3 铁电薄膜的发展

1.4 铁电薄膜的应用

1.5 铁电薄膜的制备技术

1.6 铋层类钙钛矿结构铁电薄膜的研究现状

1.7 课题研究对象的选择和课题研究的主要内容

第2章 实验方案设计和研究方法

2.1 原料及有关仪器设备

2.2 溶胶-凝胶法制备薄膜

2.3 薄膜表征方法

第3章 LaNiO3(LNO)薄膜的特性研究

3.1 前躯体溶液浓度对LNO薄膜的影响

3.2 热分解理温度对LNO薄膜的影响

3.3 退火温度对LNO薄膜的影响

3.4 退火时间对LNO薄膜的影响

3.5 厚度对LNO薄膜的影响

3.6 LNO薄膜的SEM分析

3.7 LNO(110)薄膜与Si(100)的晶格失配关系

3.8 本章小结

第4章 LNO制备工艺对Ca0.4Sr0.6BTi薄膜的影响

4.1 LNO(110)薄膜与Ca0.4Sr0.6BTi薄膜的晶格失配关系

4.2 LNO的浓度对Ca0.4Sr0.6BTi薄膜的影响

4.3 LNO的热分解温度对Ca0.4Sr0.6BTi薄膜的影响

4.4 LNO的退火温度对Ca0.4Sr0.6BTi薄膜的影响

4.5 LNO的厚度对Ca0.4Sr0.6BTi薄膜的影响

4.6 本章结论

第5章 热处理工艺对Ca0.4Sr0.6BTi/LNO薄膜的影响

5.1 热处理温度的初步确定

5.2 匀胶速度对Ca0.4Sr0.6BTi/LNO薄膜的影响

5.3 热分解理温度对Ca0.4Sr0.6BTi/LNO薄膜的影响

5.4 退火温度对Ca0.4Sr0.6BTi/LNO薄膜的影响

5.5 a择优取向的Ca0.4Sr0.6BTi/LNO薄膜热处理工艺优化及表征

5.6 本章结论

第6章 结 论

6.1 主要成果

6.2 进一步解决的问题

参考文献

后 记

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况