溶胶-凝胶法制备Nb-SrTiO和LaNiO铁电电极薄膜

摘要

铁电薄膜由于其在集成电路和其它功能器件中的应用，受到了越来越多的关注。在这些应用中，制备集成铁电薄膜优质的缓冲层薄膜和底电极薄膜显得尤为重要。为此，近年来人们开始研究与铁电薄膜具有相近结构，且化学和热稳定性较好的半导、导电金属氧化物。钛酸锶(SrTiO3)与多数铁电材料的晶格结构和化学相容性匹配良好，掺杂的SrTiO3在还原烧结后可获得较好的半导化性能，是基底与铁电材料间良好的缓冲层材料。另外，LaNiO3的晶体结构是一种赝立方钙钛矿结构，与目前广泛研究的铁电薄膜(PZT、BST等)具有类似的晶体结构和良好的晶格匹配性，它还具有高的化学和热稳定性，因而被公认为铁电薄膜器件理想的电极材料之一。因此，本文开展了溶胶，凝胶法制备掺铌钛酸锶(Nb-SrTiO3)薄膜和LaNiO3薄膜的研究。主要内容如下： 1、以钛酸丁酯、乙酸锶和自制的Nb-柠檬酸乙二醇无水溶液为原料，制备出Nb- SrTiO3前驱液，研究了用水量、乙酸、乙二醇等组分加入量对前驱液性能的影响。 2、用旋涂法在Si(100)衬底上制备了掺铌钛酸锶薄膜。研究了退火温度、退火方式、薄膜厚度等不同工艺条件对Nb- SrTiO3薄膜性能的影响，运用XRD、SEM、白光干涉、四探针测试等分析手段表征薄膜的性能。分析结果表明：在Si衬底上涂覆3层(厚度约150nm)，以常规烧结速率于750℃下还原烧结30min，制备出了性能良好的SrTi0.95Nb0.05O3薄膜，其室温电阻率约为47×10-3Ω.cm，SEM分析表明薄膜具有良好的表面形貌，白光干涉测得其表面粗糙度为1.93nm。 3、研究了施主掺杂对薄膜电性能的影响。实验表明，施主(Nb5+)掺杂量的大小对薄膜半导化的程度有明显影响，在掺杂量为5.0％时，薄膜的电性能较好。在SrTiO3中铌离子替代钛位可使SrTiO3实现n型掺杂，增加了载流子浓度，提高了材料的电导率。 4、采用溶胶凝胶方法在Si(100)衬底上制备了(100)取向的LaNiO3导电氧化物薄膜。研究了不同退火温度、退火时间、薄膜厚度、烧结气氛等工艺条件对于薄膜电阻率和表面形貌的影响，总结了制备较低电阻率LaNi03(100)薄膜的最佳工艺条件，并对相应作用机制进行了分析。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 引言

1.1铁电材料的基本概念及性质

1.2铁电材料研究进展及其应用

1.1.2铁电材料的研究进展

1.2.2铁电材料的应用

1.3铁电薄膜及其应用

1.3.1铁电薄膜材料的发展

1.3.2铁电薄膜材料的应用

1.3.3铁电薄膜在存储器领域的应用

1.4铁电薄膜的电极材料

1.5本论文的主要工作

第2章 实验设计和表征

2.1铁电薄膜及电极的制备方法

2.2溶胶-凝胶法概述

2.2.1溶胶-凝胶法采用的原料

2.2.2溶胶-凝胶法分类

2.3实验设备与分析仪器

2.4溶胶-凝胶工艺过程

2.4.1前驱体溶液的配制

2.4.2溶胶的形成

2.4.3薄膜的涂覆

2.4.4凝胶膜的干燥

2.5薄膜的涂覆

2.5.1基片的选择

2.5.2基片的清洗

2.5.3薄膜的涂覆方法

2.6薄膜的热处理

2.7前驱液性能表征

2.8薄膜性能测试与分析

2.8.1 X射线衍射分析

2.8.2扫描电镜分析

2.8.3白光干涉分析

2.8.4薄膜电性能测试

第3章溶胶-凝胶法制备Nb-SrTiO3薄膜

3.1绪 言

3.2实验方案

3.2.1原料前期性试验

3.2.2掺杂剂的选择和制备

3.2.3工艺过程

3.3前驱液的配制及影响

3.3.1乙酰丙酮的影响

3.3.2乙二醇甲醚的影响

3.3.3乙酸的影响

3.3.4乙二醇的影响

3.3.5丙三醇的影响

3.3.6加水量对前驱液的影响

3.4 Nb-SrTiO3薄膜的制备

3.4.1掺铌钛酸锶前驱液的制备

3.4.2前驱液TG-DTA分析

3.4.3薄膜的涂覆与热处理

3.5 Nb-SrTiO3薄膜性能测试与分析

3.5.1 XRD衍射分析

3.5.2表面形貌分析

3.5.3白光干涉分析

3.5.4薄膜电性能表征

3.6本章小结

第4章溶胶-凝胶法制备LaNiO3薄膜

4.1绪 言

4.2LaNiO3薄膜的制备

4.2.1前驱液的制备

4.2.2薄膜制备工艺流程

4.4.3薄膜的涂覆与烧结

4.3前驱液TG-DTA分析

4.4LaNiO3薄膜性能测试与分析

4.4.1 XRD衍射分析

4.4.2扫描电镜分析

4.4.3薄膜电性能表征

4.5本章小结

结 论

致谢

参考文献

在读期间的研究成果