Ag-PST复合薄膜材料的制备及其介电性能研究

摘要

随着微电子学的迅猛发展及人们对于电子器件小型化程度要求不断地提高,市场上的电子产品也就越来越小。尽管尺寸减小了,但是对这些电子产品性能的要求却是越来越高的,要求他们的容量越来越大,响应速度越来越快等等,其中当然也包括记忆性的产品,如静态随机存储器、动态随机存储器等。而在这些存储及记忆性产品及器件中,介电材料的介电常数会最终决定器件的小型化的程度。而在小型化程度方面,毋庸置疑,与其他材料相比,薄膜材料在提高电子产品及器件的小型化程度方面具有明显的优势。综合这两个方面,可以知道,为了迎合小型化的发展趋势及要求,提高薄膜的介电常数是很有意义的一个课题。此外,根据已有报道,将金属颗粒引入到介电可调材料,由于增强了内部电场,其介电可调性也会显著提高。
　　 近年来,金属.介电相复合材料由于在一定条件下会产生渗流效应,在高介电常数材料方面具有良好的应用潜力,获得了研究者广泛的关注。然而,对于金属.介电相复合薄膜,一方面薄膜在厚度方向上的尺度可能仅为几百纳米,如果薄膜内的金属颗粒尺寸较大,导电相颗粒就很容易在薄膜厚度方向上形成导电通路而将上下电极导通,从而使介电薄膜失去作为介电材料的作用;另一方面由于渗流效应的产生本质是通过金属颗粒在材料中的组成及形貌而形成一系列表面面积大、间距较小的微电容,这些微电容相互之间形成串并联结构,使材料表观介电常数大大增加。可见,在复合薄膜材料中,金属相的粒径足够小是获得高介电常数的关键。因此,寻找更有效的技术和方法对薄膜中金属相的含量和粒度进行控制,对渗流型高介电常数可调性薄膜材料的成功突破将具有十分重要的意义。
　　 本文全面综述了微波可调铁电薄膜材料的研究发展及其应用,介绍了金属颗粒一陶瓷复相材料的研究现状及理论模型。此外,本文还总结了将纳米金属颗粒引入到材料中的一些方法,如溶胶凝胶、离子交换、离子注入、真空蒸镀等,其中对溶胶凝胶技术的概况、过程及应用等方面做了详细的介绍。本文采用溶胶凝胶镀膜技术,通过原位合成的方法将纳米银颗粒引入到(Pb0.4Sr0.6)TiO3薄膜中,通过改变银的含量及热处理工艺等手段,在ITO/glass基板上制备了纳米银颗粒分散的多晶钙钛矿相(以下称PST)薄膜。通过XRD研究其结构和晶相形成,扫描电子显微镜观察形貌及薄膜的厚度,利用高精度阻抗分析仪对薄膜样品的介电性能进行了测量,还应用了UV-VIS吸收谱研究了纳米银颗粒的粒径及数量。具体研究内容及结论如下:
　　 本文在溶胶中引入络合剂柠檬酸与乙酰丙酮作为混合络合剂,配制一系列的不同银含量(溶胶前驱体中Ag/Ti的摩尔比x=0.3～0.8)含量的Ag-(Pb,Sr)-Ti溶胶,然后在空气气氛中600℃下进行热处理即制备出纳米银.(Pb0.4Sr0.6)TiO3渗流型复合薄膜。其中银含量为x=0.7的薄膜的介电常数高达纯的(Pb0.4Sr0.6)TiO3薄膜的近5倍。而根据渗流理论,在渗流阈值附近,复合材料的介电损耗也会表现出非线性增加,而实验得到的损耗数据也证实了这一点。实际应用中的电子器件,损耗不宜很大,本文还探索了降低复合薄膜介电损耗的方法。即在复合薄膜中间引入了(Pb0.4Sr0.6)TiO3薄膜作为阻隔层,以阻断载流子传播的通道,在不损害介电常数的同时降低了低频下由空间电荷引起的介电损耗。
　　 此外,本文还探索不同隐含量薄膜的可调性。引入纳米银颗粒的薄膜的可调性明显地提高了,本文得到纯的PST薄膜的可调性为28％,Ag0.3-PST的可调性为38％,而Ag0.5-PST薄膜的可调性为39.5％,可见引入纳米银颗粒有利于提高薄膜的可调性。

目录

文摘

英文文摘

致谢

1 绪论

2 文献综述

2.1 介电材料的发展及钙钛矿相材料的崛起

2.2 主要介电薄膜材料的研究现状

2.2.1 钛酸锶钡(BST)

2.2.2 钛酸锶铅(PST)

2.3 金属-介电相复合薄膜材料

2.3.1 金属-介电相复合薄膜材料的发展及研究现状

2.3.2 渗流型复合薄膜

2.3.3 薄膜中纳米粒子制备方法

2.4 本论文的研究目的意义及研究内容

3 样品制备、实验方法和测试方法

3.1 样品制备

3.1.1 实验原料

3.1.2 实验设备及器材

3.1.3 基板的清洗工艺

3.2 薄膜样品的制备

3.2.1 基板的清洗工艺

3.2.2 扫描电子显微镜(SEM)[86]

3.2.3 物相结构和介电性能测试方法

3.2.4 紫外可见光吸收光谱(UV-Vis Spectra)

3.2.5 介电性能测量

4 乙酰丙酮为络合剂的Ag-PST薄膜的形成介电性能研究

4.1 乙酰丙酮为络合剂的Ag-PST薄膜溶胶先驱体及薄膜的制备

4.2 酰丙酮的络合机理

4.3 薄膜的形成及介电性能研究

4.3.1 溶胶前躯体浓度为0.5mol/L的Ag-PST复合薄膜形成的研究及介电性能研究

4.3.2 溶胶前躯体浓度为0.2mol/L的Ag-PST复合薄膜形成的研究及介电性能研究

4.4 本章小结

5 乙酰丙酮与柠檬酸为络合剂的Ag-PST薄膜的形成及介电性能研究

5.1 以柠檬酸与乙酰丙酮作为络合剂的溶胶先驱体及薄膜的制备

5.2 柠檬酸的络合机理

5.3 不同银含量的薄膜的介电性能研究

5.4 络合剂对薄膜形成的影响

5.5 本章小结

6 夹层复合薄膜的介电性能研究

6.1 单层阻隔层复合薄膜的最佳位置及厚度研究

6.2 双层阻隔层复合薄膜的最佳位置及厚度研究

6.3 本章小结

7 复合薄膜的介电可调性的研究

8 参考文献

9 全文研究总结及展望

9.1 研究总结

9.2 存在问题与展望

攻读学位期间发表的学术论文