《用於集成壓電晶片的BiFeO3-基薄膜的漏電流和老化抑制》是依託濟南大學,由胡廣達擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名:用於集成壓電晶片的BiFeO3-基薄膜的漏電流和老化抑制
- 項目類別:面上項目
- 項目負責人:胡廣達
- 依託單位:濟南大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
BiFeO3(BFO)薄膜優異的壓電性能和非常低的沉積溫度使其在未來集成壓電晶片領域具有非常大的套用潛力。本項目針對BFO薄膜在未來壓電器件中將會遇到的漏電和老化兩個問題,對比研究不同高價離子對BFO薄膜晶粒尺寸及均勻性的影響以確定最適合摻雜到BFO中的高價離子。在此基礎上,系統研究Bi過量、退火溫度、退火氧氣分壓、高價離子的摻量、以及薄膜厚度對高價離子摻雜的BFO薄膜表面形貌、漏電流、鐵電、介電、壓電、微觀疇結構、以及微觀漏電性能的影響。從缺陷化學的角度分析抑制高價離子摻雜的BFO薄膜的漏電和老化的具體缺陷類型和關鍵因素。為尋找更有效的能同時抑制BFO薄膜漏電和老化的方法提供理論依據。我們希望通過本項目的開展能最終製備出在絕緣性、壓電常數、介電常數、以及矯頑場等性能指標均能滿足未來集成壓電晶片的BFO薄膜。為下一步研發BFO-基集成壓電晶片打下堅實的基礎。
結題摘要
作為一種有廣闊套用前景的無鉛鐵電材料,BiFeO3 薄膜由於具有優異的鐵電、壓電以及鐵磁性能而被深入研究了近十年。在本課題設立之前,BFO薄膜一直受困於嚴重的漏電和老化,這將導致薄膜的鐵電、壓電性能的長期穩定性不可避免地發生退化。針對這兩個嚴重問題,本課題系統研究了高價離子如Ti4+, Zr4+, V5+, Mo6+ 以及W6+ 等對BFO薄膜結構以及晶粒尺寸均勻性的影響。XRD和AFM結果顯示,Ti4+ 和W6+ 離子都有助於獲得純相而且晶粒尺寸均勻的BFO薄膜。而W6+ 離子在消除氧空位方面效率更高,1%摩爾W6+ 離子足以在不犧牲抗擊穿性能的前提下對BFO薄膜起到了明顯的去老化作用。BFWOx=0.01薄膜的剩餘壓電常數高達130皮米/伏。而BFWOx=0.02 薄膜表現出的鐵電和壓電性能退化說明摻雜離子對BFO薄膜晶粒生長的副作用必須被考慮進來。這一點在Nd摻量少於5% 摩爾的BFO薄膜中再一次得到證實。Bi0.97Nd0.03FeO3 薄膜的壓電常數達到了160 皮米/伏,更重要的是在極化20小時之後薄膜的壓電常數反而增大了6.8%。我們把這個現象歸因於氧空位從缺陷對中釋放之後的再分布和再定向。優異的壓電性能使Bi0.97Nd0.03FeO3 薄膜在未來的壓電薄膜器件套用中更具競爭力。通過對比沉積在LaNiO3(100)/Si襯底上的Bi0.98Ca0.02FeO3 和 BiFe0.98Ni0.02O3薄膜的晶體結構和鐵電電滯回線,發現在B位產生缺陷對比在A位形成缺陷對導致的老化更加嚴重。我們的研究還發現,經常在老化的BiFe0.95Mn0.05O3 薄膜中發現的鐵電疇反轉(backswitching)能通過調整層層快速退火製備薄膜的層厚得到抑制。適度降低層厚一方面能有助於柱狀晶粒的形成,從而使薄膜中的缺陷對顯著降低;另外也能使獲得滿足要求的鐵電性能所需的退火溫度降低。上述這些發現為徹底解決鐵電薄膜的老化和漏電問題給出了新的途徑。