BST铁电薄膜的制备

1、主要内容1. 绪 论2. PZT铁电薄膜Sol-Gel法制备及性能研究 3. Co掺杂PZT铁电薄膜的制备及性能研究 4. BST铁电薄膜的制备及性能研究 5. 总结 1. 绪论1.1 铁电材料概述E=0, P=Pr P=0, E=Ec 铁电材料的应用研究进展1.1952年贝尔电话实验室首次提出利用铁电材料的两个极化方向来实现计算机存储器中0和1的编码操作，制作铁电存储器2.90年代初，随着微电子工业和集成工业的进步。几乎每隔几年，铁电存储器的生产就有一个突破性的进展3.1994年，美日联合开发的Bi系层状结构的材料SrBi2Ta2O9制成的256KB存储器4.4.目前，国际上许多大型半导体公

2、司都十分重视FeRAMFeRAM的研究 1.2 PZT材料结构特征 PZT是典型的钙钛矿型结构，化学通式为ABO3 这些含氧八面体的铁电氧化物的自发极化主要来源于B位离子偏离氧八面体中心的位移 1.3 PZT铁电薄膜的制备技术1. 溅射法2. 激光闪蒸3. 真空蒸发4. 化学气相沉积（CVD）5. 金属有机物化学气相沉积（MOCVD）法6. 溶胶凝胶（Sol-Gel）法SOL-GEL法制备铁电薄膜的优点1. 能精确控制薄膜的组分，能制备大面积高质量薄膜2. 组分具有高度的均匀性 3. 易于调整组分，易于进行微量、均匀掺杂 4. 设备简单，成本低，适于产业化生产 2. PZT铁电薄膜制备 化学试

3、剂化学试剂用量（用量（mol）硝酸锆（硝酸锆（Zr(NO3)4 5H2O）0.5乙酸铅（乙酸铅（Pb(CH3COO)2 3H2O）1.15（过量（过量15%）钛酸四丁酯（钛酸四丁酯（Ti (OC4H9)4）0.5乙二醇甲醚（乙二醇甲醚（HO(CH2)2OCH3）4.02.1 PZT先驱溶液的合成PZT薄膜的制备流程1.计算出各原材料的质量或体积 2.乙酸铅乙二醇甲醚，120回流加热30min3.硝酸锆乙二醇甲醚，加热搅拌4.钛酸四丁酯乙二醇甲醚，与上述两溶液混合5.搅拌12h后，定容、过滤 6.ITO/glass基片上以30005000r/min的速度匀胶30s 7.400热处理4 min，5

4、00 600退火处理4 min8.重复6、7步，最后一层在氧气气氛的条件下，在500 600退火处理20 min2.2 PZT铁电薄膜的X射线衍射图1. 600时，PZT薄膜结晶程度最好 2. 薄膜呈以（1 0 1）为首要方向的多晶结构 3. 有（2 2 2）方向的焦绿石相 203040506070.Pyrochlore phase.(0 2 2) (2 2 0)(1 1 2) (2 1 1)(1 0 2) (2 0 1)(0 0 2) (2 0 0)(1 1 1)(1 0 1).(0 0 1) (1 0 0)500oC550oC600oCIntensity (a.u.)2 Theta (de

5、g)2.3 PZT铁电薄膜的铁电性能-200-150-100-50050100150200-80-60-40-20020406080(a)5000CPolarization (10-6C/cm2)Electric Field (KV/cm)-200-150-100-50050100150200-80-60-40-20020406080(b)5500CPolarization (10-6C/cm2)Electric Field (KV/cm)E越大，P越大；温度升高，Pr 增大，Ec 减小-200-150-100-50050100150200-100-80-60-40-20020406080(c

6、)6000CPolarization (10-6C/cm2)Electric Field (KV/cm)2.4 PZT铁电薄膜的介电性能 温度越高，薄膜的介电常数越大。11010002004006008001000 (a) 500 0C (b) 550 0C (c) 600 OCFrequency (KHz)Dielectric constant0.00.20.40.60.81.0Dissipation factor2.5 PZT铁电薄膜的漏电流 综合比较各温度下PZT铁电薄膜的铁电、介电、漏电流性能，600度的退火温度效果最好。0246810121416020406080100Leakage

7、 current density (10-8A/cm2)Voltage (V) (a) 500 0C (b) 550 0C (c) 600 0C3. PCZT铁电薄膜制备及性能研究 乙酸钴（Co(CH3COO)24H2O） 工艺流程- as mentioned above3.1 PCZT薄膜的制备3.2 PCZT铁电薄膜的X射线衍射图1. 薄膜呈以（1 0 1）为首要方向的多晶结构 2. Co掺杂能够有效的抑制PZT薄膜中焦绿石相的产生 203040506070.Pyrochlore phase0mol%15mol%10mol%5mol%(0 0 1) (1 0 0)(1 0 1)(1 1 1

8、)(0 0 2) (2 0 0)(1 0 2) (2 0 1)(1 1 2) (2 1 1)(0 2 2) (2 2 0)Intensity (a.u.)2 Theta (deg)3.3 PCZT铁电薄膜的铁电性能-200-150-100-50050100150200-80-60-40-20020406080(a) 5mol% Co-dopedPolarization (10-6C/cm2)Electric Field (KV/cm)-200-150-100-50050100150200-80-60-40-20020406080(c) 15mol% Co-dopedPolarization (

9、10-6C/cm2)Electric Field (KV/cm)Proportion of Co-dopedPr (C/cm2)EC (KV/cm)0mol%36.545.25mol%43.851.610mol%58.667.315mol%42.068.9-200-150-100-50050100150200-80-60-40-20020406080(b) 10mol% Co-dopedPolarization (10-6C/cm2)Electric Field (KV/cm)-200-150-100-50050100150200-100-80-60-40-20020406080(c)6000

10、CPolarization (10-6C/cm2)Electric Field (KV/cm)1. Co掺杂后的PZT薄膜的剩余极化强度Pr明显增大, Co=10mol% , Pr=58.6 c/cm2 。这个值比大多数文献报道的掺杂或不掺杂的PZT薄膜的剩余极化强度Pr大 。2. PCZT薄膜的矫顽场Ec比PZT薄膜要大，而且随着掺杂比例的增大而增大。 3. PCZT薄膜的电滞回线图呈不对称形状，而且在较高外场下有向下弯曲的现象。 比较PZT与PCZT薄膜的铁电测试图：主要解释1： 一般来说当铁电薄膜中存在有焦绿石相时，其电滞回线图将会呈现出一个比较纤细的形状，薄膜的剩余极化强度会比较小。从

11、掺杂和不掺杂的PZT薄膜的XRD图来看，掺杂后的薄膜中含有的焦绿石相明显减少，甚至消失，这是导致Co掺杂后PZT薄膜的铁电性能加强的原因之一。 主要解释2： 铁电薄膜的居里温度点、自发极化、介电常数和矫顽场与掺杂后的离子替代有很大的关系。 由于Co2+的离子半径（0.75）比Pb2+的离子半径（1.26 ）要小得多，因而当钴离子在薄膜中替代铅离子的位置后会占据更少的空间，这样钴离子在氧八面体中会有更大的活动空间，从而能够产生更大的极距和更大的剩余极化强度。但是另一方面，钴离子在氧八面体中的活动空间大了以后会需要更大的能量让其回到原来的平衡位置，因而导致掺杂后的PZT薄膜有更大的矫顽场。 主要解

12、释3： 当钴离子在薄膜中替代钛离子或锆离子的位置时，为了保持电化学平衡，此时会产生氧空位。当薄膜中存在氧空位时，它会和其它离子形成复杂的偶极子缺陷。它也可以在薄膜中的晶界、畴壁等位置形成点缺陷，所有这些缺陷都会阻碍极化反转。在薄膜两端有外加电场时，这些缺陷会在薄膜中产生一个与外电场方向相反的内加电场，从而使得加在薄膜两端的有效电场减小，使薄膜需要更大的电场来控制薄膜的极化，这样会导致薄膜产生更大的矫顽场。 3.4 PCZT铁电薄膜的介电性能110100020040060080010001200 (a) 5% Co-doped (b) 10% Co-doped (c) 15% Co-dopedF

13、requency (KHz)Dielectric constant0.00.51.01.52.0Dissipation factor1. 介电常数增大2. 存在介电消散现象解释： 由于钴的掺入导致薄膜中的氧空位增多，薄膜和电极界面之间的电荷会积聚的越多，这些电荷会明显增大薄膜介质的电容，因而导致大的介电常数。 在测量的过程中，这些电荷会随着外加电场的变化而变化。如果外加电场的频率足够小，能够满足这些积聚电荷的变化周期，那么测量时这些电荷就会导致一个比较大的电容。相反，当外加电场的频率增加时，外加电场的周期不再允许积聚电荷产生作用，那么这些电荷就不再对薄膜的电容起作用，因而外加电场的频率变大时，

14、薄膜的电容会显著降低，同时薄膜的介电常数也会随之降低。 3.5 PCZT铁电薄膜的漏电流性能 对于PZT这一类的铁电薄膜，漏电流主要来源于高温退火过程中产生的铅空位和氧空位。 024681012141604080120160200240Leakage current density (10-8A/cm2)Voltage (V) (a) 5mol% Co-doped (b) 10mol% Co-doped (c) 15mol% Co-doped4. PCNZT薄膜制备及性能研究 乙醇铌（Niobium ethoxide） 减小漏电流 工艺流程见第二章4.1 PCNZT薄膜的制备4.2 PCNZT

15、薄膜的X射线衍射图1. 以（1 0 1）为首选方向的多晶薄膜2. 没有出现焦绿石相 203040506070(c)(b)(a)(a): Co=10mol%,Nb=5mol%(b): Co=10mol%,Nb=0mol%(c): Co= 0mol%,Nb=0mol%.Pyrochlore phase.(0 2 2) (2 2 0)(1 1 2) (2 1 1)(1 0 2) (2 0 1)(0 0 2) (2 0 0)(1 1 1)(1 0 1)(0 0 1) (1 0 0)Intensity (a.u.)2 Theta (deg)4.3 PCNZT薄膜的铁电性能0246810253035404

16、550556010mol% Co-doped Polarization (10-6C/cm2)Nb content (mol%) 薄膜的剩余极化强度随着Nb掺杂浓度的增大而减小。 解释： 当Nb5在B位掺杂时是作为施主掺杂离子替代Ti4或者Zr4，这个时候掺杂会抑制氧空位的产生，因而随着Nb离子掺杂浓度的增大，薄膜中的氧空位会减小，这样薄膜的极化强度也会随着减小。 4.4 PCNZT薄膜的介电性能 薄膜的介电常数随着掺杂离子Nb5浓度的增大而减小，没有发现介电消散现象。 110100-200020040060080010001200 Dielectric constantFrequency (

17、KHz) Co=10mol%,Nb=0mol% Co= 0mol%,Nb=0mol% Co=10mol%,Nb=1mol% Co=10mol%,Nb=3mol% Co=10mol%,Nb=5mol% Co=10mol%,Nb=8mol% Co=10mol%,Nb=10mol%4.5 PCNZT薄膜的漏电流性能 PCNZT薄膜的漏电流密度随着Nb掺杂浓度的增大 而变小。 0246810121416020406080100120 Leakage current (10-8A/cm2)Voltage (V) Co=10mol%,Nb=0mol% Co= 0mol%,Nb=0mol% Co=10mol

18、%,Nb=1mol% Co=10mol%,Nb=3mol% Co=10mol%,Nb=5mol% Co=10mol%,Nb=8mol% Co=10mol%,Nb=10mol%5总结1. 600度退火的PZT铁电薄膜性能良好2. Co掺杂能抑制PZT薄膜中焦绿石相的生长，增强了PZT铁电薄膜的铁电性能3. Nb掺杂能减小PCZT薄膜的漏电流1.3 PZT铁电薄膜的制备技术1. 溅射法2. 激光闪蒸3. 真空蒸发4. 化学气相沉积（CVD）5. 金属有机物化学气相沉积（MOCVD）法6. 溶胶凝胶（Sol-Gel）法2.5 PZT铁电薄膜的漏电流 综合比较各温度下PZT铁电薄膜的铁电、介电、漏电流性能，600度的退火温度效果最好。0