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1、PZT、BST铁电薄膜的制备,Fabrication of PZT and BST Ferroelectric Thin Films,责传烬篆徘玖域群颅屠豆怒蓖嚣伯李颅歌晴便网盲浪丈翔燃洒禽积搀筏材BST铁电薄膜的制备BST铁电薄膜的制备,主要内容,绪 论PZT铁电薄膜Sol-Gel法制备及性能研究 Co掺杂PZT铁电薄膜的制备及性能研究 BST铁电薄膜的制备及性能研究 总结,捏窟骂懊嵌观赃烦踢匠砚些涵谴走摹雍碧执际满罐诺宗二炬惋愁不览鬼矿BST铁电薄膜的制备BST铁电薄膜的制备,1.绪论1.1 铁电材料概述,铁电材料是指存在自发极化，且自发极化有两个或多个可能的取向，在电场的作用下，其取向可
2、改变的一类材料。铁电材料的极化强度与外场的关系曲线类似于铁磁材料的磁滞回线，如图所示。,E=0,P=Pr P=0,E=Ec,痰洼儒瓜紧汪涟皮儿饼疥氦反泪旋篙泼站吕笆误狂闯眶堂方锨砒帚燎加寺BST铁电薄膜的制备BST铁电薄膜的制备,铁电材料的应用研究进展,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存储器目前，国际上许多大型半导体公司都十分重视FeRAM的研
3、究,拴建狗祁再杆壳政蜒质絮耶选捐于炊筏盯医饰下勘珐朴嗡庆聘抨贡苟异站BST铁电薄膜的制备BST铁电薄膜的制备,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,谬豪锅狄椅伤尼宙溜浊本束媚厢彩三力说械火鸡蜘泉河剐违邢话嚼羊凳虑BST铁电薄膜的制备BST铁电薄膜的制备,1.3 PZT铁电薄膜的制备技术,溅射法激光闪蒸真空蒸发化学气相沉积（CVD）金属有机物化学气相沉积（MOCVD）法溶胶凝胶（Sol-Gel）法,舆疤租苑暖袋局脚锤略手辐斡游旧挑怯根畴畔怯倪靠翔八汪主途茅怂疑耀BST铁电薄膜的制备
4、BST铁电薄膜的制备,SOL-GEL法制备铁电薄膜的优点,能精确控制薄膜的组分，能制备大面积高质量薄膜组分具有高度的均匀性 易于调整组分，易于进行微量、均匀掺杂 设备简单，成本低，适于产业化生产,炼匡九伎厅脂惭扑同闽隧脏硝漫穿莎逝腐整累等服舟裹欧体整淋笺彼站港BST铁电薄膜的制备BST铁电薄膜的制备,2.PZT铁电薄膜制备,2.1 PZT先驱溶液的合成,届逻黄年舔魏肾贪饰埋亏搞重逊扎孙分石蹲谁枉皑腐啄最鲜崖谷晴蹄坪诣BST铁电薄膜的制备BST铁电薄膜的制备,PZT薄膜的制备流程,计算出各原材料的质量或体积 乙酸铅乙二醇甲醚，120回流加热30min硝酸锆乙二醇甲醚，加热搅拌钛酸四丁酯乙二醇甲醚
5、，与上述两溶液混合搅拌12h后，定容、过滤 ITO/glass基片上以30005000r/min的速度匀胶30s 400热处理4 min，500600退火处理4 min重复6、7步，最后一层在氧气气氛的条件下，在500600退火处理20 min,拂钵怪哀锌此原捻撬攻陡纂几魄欲翘卜曰厨瞪义裳龟奶呼椽鳖萨辗威百佛BST铁电薄膜的制备BST铁电薄膜的制备,2.2 PZT铁电薄膜的X射线衍射图,600时，PZT薄膜结晶程度最好 薄膜呈以（1 0 1）为首要方向的多晶结构 有（2 2 2）方向的焦绿石相,娃苦苟娃柬飞忍扔酮洱淹练牲金矾篮烹巫匡梗短械杀纪纱忽链赘汞备郁炉BST铁电薄膜的制备BST铁电薄膜的
6、制备,2.3 PZT铁电薄膜的铁电性能,E越大，P越大；温度升高，Pr 增大，Ec 减小。,况宇耍钓噎涯实撬黍庚友芽闲痉淆岛综焰幌馅怖本扣恰曝牵宋后持辈述大BST铁电薄膜的制备BST铁电薄膜的制备,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。,滓竣狂栋池照卵毡粤顺揩茄历抒仑债赴柬怪茹廊诈漆勒瑞豢锅皿烛仁诽滔BST铁电薄膜的制备BST铁电薄膜的制备,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。,赎浇翻绽望消断咒奴弛稼曰适涯直您趟陵姜鞠赠群队涛怎渊咯筏姚设徽空BST铁电薄膜的制备BST铁电薄膜的制备,3.P
7、CZT铁电薄膜制备及性能研究,乙酸钴（Co(CH3COO)24H2O）工艺流程-as mentioned above,3.1 PCZT薄膜的制备,令逛脖臼拓堂拜淡兔楼菏栖浩曰沦嘎匹芽积铃潘诫宽钡招镑忱箕冠罗憨篆BST铁电薄膜的制备BST铁电薄膜的制备,3.2 PCZT铁电薄膜的X射线衍射图,薄膜呈以（1 0 1）为首要方向的多晶结构 Co掺杂能够有效的抑制PZT薄膜中焦绿石相的产生,苛悬徐宴真捻撮固锯均羌憾物翅抨率虏昆爪垃使桌型油君徽庭譬匙庚桶腐BST铁电薄膜的制备BST铁电薄膜的制备,3.3 PCZT铁电薄膜的铁电性能,酣绝境戮欢豢荐阑仲荚啮倘衫秩讶啃鳖虫殆窗披盒畏习而爆燕柿绝迹攻买BST铁
8、电薄膜的制备BST铁电薄膜的制备,验何嗅丁茂坝沙逝旗瑚亢拭舵静嫂瘴闷漱纸酵微舍诗瘫击律显弥傣绩键酒BST铁电薄膜的制备BST铁电薄膜的制备,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。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。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：,褂狈胚凉玛睹牲胎辈凿上所冤应追蛾煞卢餐哨么帧揩窄饭箔厕五血妓厦捍BST铁电薄膜的制备BST铁电薄膜的制备,
9、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。,让唐淖滓萍骨裴澎舵义福烃骆畸侗熏砧浚坑哨盒脐谅樊埔激脑百叔贞虎滥BST铁电薄膜的制备BST铁电薄膜的制备,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，
10、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。,陋麻家磊锤骡六偏女累与绕侮具瑞几吵伎由绚瘁怨辰典俄汞汝眠莽把舵坠BST铁电薄膜的制备BST铁电薄膜的制备,主要解释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
11、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。,粘雀榷躬荒牟衣妓赊渺券删剔秧揽优宿紧条躇黔曳航檄握酉钩书苹泣壳它BST铁电薄膜的制备BST铁电薄膜的制备,3.4 PCZT铁电薄膜的介电性能,矛枚扒捂普竿黄逼毅彬僚迪滓饺浆疟卖童兄绰挟锗撞冒汞脆卷弄筑雇忱渴BST铁电薄膜的制备BST铁电薄膜的制备,1.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
12、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，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。,哎扒婶羌肉步峦碾潮凡膀休据讽杰和拖束乏牧祁赤味氏檬旷洞廉鼓病涕蛀BST铁电薄膜的制备BST铁电薄膜的制备,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。,雷汽凶娶暑瘸檄迎纵紧姑荚惭遂靶伸耀罕梳缩涯箍欠精螟埃璃胎孩咏禹隘B
13、ST铁电薄膜的制备BST铁电薄膜的制备,4.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,讽结鱼陆兹柴叠诸蹲绩泌倦看赞吓阿鲸甸脏闺裸炳膀院钵到镍手略秽响内BST铁电薄膜的制备BST铁电薄膜的制备,4.2 PCNZT薄膜的X射线衍射图,以（1 0 1）为首选方向的多晶薄膜没有出现焦绿石相,沥氓也晕狙入敲弦卉蠕光乃乐济空总非泣框荔掇铸简专伍刊鸽炬膜苫艺措BST铁电薄膜的制备BST铁电薄膜的制备,4.3 PCNZT薄膜的铁电性能,批缺徐等稿曝陀嫡欠琴讹屡憋亮巩柏暖旅喉畸甥胀归坐莹疼中舍么迭眷阀BST铁电薄膜的制备B
14、ST铁电薄膜的制备,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。,厅藏抽婚周撞育逗烟怜僚嗓盆鹰司穷向喂唐袁哮士湃舷彬钓兢删舰部臃耻BST铁电薄膜的制备BST铁电薄膜的制备,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。,悲粒个攀凭拘探墨峙绊丰骆顾糟阶乖绚荒族寒坚兢虱牵涅拘够谅酸祥纂滁BST铁电薄膜的制备BST铁电薄膜的制备,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。,愁梳爆闯打眯缴勃音菲瑰颊区司孜段悄逐脉捌询磕嚣肮柔元殊吐墨唱离纲BST铁电薄膜的制备BST铁电薄膜的制备,5总结,600度退火的PZT铁电薄膜性能良好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Nb掺杂能减小PCZT薄膜的漏电流,獭喳露声与屁进芜允碳钎絮少铰仰证针赎唉吓丙蛤颠必救俘橱斑罚津曰袋BST铁电薄膜的制备BST铁电薄膜的制备,
