鑭系元素摻雜BiFeO3薄膜鐵電與壓電各向異性研究

項目摘要

研究證實，鑭系元素摻雜BiFeO3(BLnFO)具有準同型相界(MPB)以及較大的壓電常數，是一種非常理想的無鉛壓電材料。與傳統的鉛系壓電材料如Pb(Zr,Ti)O3不同是，BLnFO在MPB附近發生了從三方到準正交的結構相變，意味著在MPB處出現最大壓電常數的取向以及微觀機制也將會有所不同。為此，本課題擬在不同取向的LaNiO3/LaAlO3襯底上，系統研究BLnFO薄膜在MPB附近主極軸取向以及壓電常數隨鑭系元素摻量的變化規律，並結合薄膜的結構變化規律探索薄膜在某取向出現最大壓電常數的微觀機制。根據Raleigh定律，通過研究激勵場強對不同取向BLnFO薄膜壓電常數的影響確定非180度疇壁運動的貢獻。在確定最佳摻雜元素和最大壓電常數取向之後，還將通過控制層厚以及膜厚來調製薄膜中的非180度疇的含量，以期進一步提高壓電常數，為下一步研發具有自主智慧財產權的集成壓電晶片打下堅實基礎。

結題摘要

作為一種室溫下多鐵材料，BiFeO3(BFO)由於優異的鐵電和壓電性能在非易失性鐵電存儲器以及微機電系統領域得到廣泛研究。相對於陶瓷材料，鐵電薄膜材料的性能強烈依賴於內部晶體的取向，這為鐵電壓電性能的提升提供了新方向。然而嚴重的漏電流使得BFO薄膜很難獲得其本徵的鐵電壓電性能。因此，本課題在鑭系摻雜改性的基礎上系統研究了晶體取向對薄膜性能的影響。XRD和漏電結果顯示，純相BFO薄膜在425℃預處理時出現低溫成核，並且以(110)取向為主，低溫成核現象的出現可以降低薄膜的漏電和改善薄膜的電學性能。接下來，我們在Nd摻雜的(100)取向的BFO薄膜中發現，Bi0.97Nd0.03FeO3 薄膜的壓電常數可達到~160皮法/伏，更重要的是極化20小時後薄膜的壓電常數反而增加了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，優異的壓電性能使的Nd摻雜的BFO薄膜在未來的壓電器件中更具潛力。為了進一步研究薄膜的各向異性，我們分別在LaAlO3單晶襯底上成功製備了(100), (110) 和 (111)三個單一取向的Bi0.85Sm0.15FeO3薄膜，P-E電滯回線結果顯示(111)取向的薄膜剩餘極化最大，這可能與極化分量在(111)取向的晶粒中較大有關。通過對比沉積在LaNiO3/Al和Al襯底上Bi0.85La0.15FeO3的晶體結構和鐵電電滯回線，發現LaNiO3緩衝層的引入可以進一步最佳化製備Al襯底上薄膜的結晶度和鐵電性。我們還在不同Bi過量和退火溫度下對製備在LaNiO3 (100)/Si襯底上的Bi0.95La0.05FeO3厚膜進行了詳細研究，研究發現適量的Bi過量可以有效的提高Bi0.95La0.05FeO3厚膜的晶化程度，促進厚膜(100)取向的生長。過多的Bi將以富Bi相的形式析出在晶界處而不揮發。另外，添加10%Bi過量的Bi0.95La0.05FeO3厚膜的介電常數高達680。上述這些發現為提升BFO-基薄膜的電學性能開闢了新的途徑。

鑭系元素摻雜BiFeO3薄膜鐵電與壓電各向異性研究

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結題摘要

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