本文選題：CaBi_2Nb_2O_9 + 磁控濺射　； 參考：《山東大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：在器件向微型化和集成化方向發(fā)展的要求下,鐵電薄膜因具有良好的鐵電性、壓電性、熱釋電性等物理特性,在微電子學(xué)、光電子學(xué)和微機電系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。鉍層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵電薄膜因具有高抗疲勞特性、低老化速率、高居里溫度等特點在高溫高頻領(lǐng)域有很大應(yīng)用潛力。然而,鉍層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵電材料特殊的層狀結(jié)構(gòu)(a≈bc),使晶粒方向調(diào)整較為困難,薄膜傾向于沿c軸方向生長,而極化卻主要存在于a-b面內(nèi),這種極化方向和生長方向的矛盾導(dǎo)致此類結(jié)構(gòu)的陶瓷鐵電極化和壓電活性較低。CaBi2Nb2O9(CBNO)作為一種典型的鉍層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵電體,是由(CaNb207)2-層與(Bi202)2+層在c軸方向上交替生長得到。CBNO薄膜,居里溫度高達943℃,在高溫鐵電壓電領(lǐng)域有非常大的發(fā)展前景。但在薄膜器件的實用化過程中,還需要解決其極化強度低,壓電系數(shù)低等問題。本課題的主要研究內(nèi)容是從應(yīng)變工程的角度出發(fā),結(jié)合晶格匹配理論,對薄膜的取向以及應(yīng)力狀態(tài)進行調(diào)控,并采用射頻磁控濺射的方法制備高度取向的CBNO薄膜。研究應(yīng)變狀態(tài),基體取向,薄膜厚度,底電極厚度,降溫氣氛,沉積溫度和緩沖層對薄膜的晶體結(jié)構(gòu),微觀形貌以及電學(xué)性能的影響,進而提高CBNO薄膜的介電、鐵電及壓電性能,最終在Si基體上實現(xiàn)CBNO薄膜的中低溫制備。通過本研究,取得以下成果:1.CBNO薄膜的應(yīng)變調(diào)控生長(1)在MgO基體上應(yīng)變調(diào)控生長(200)/(020)擇優(yōu)取向的CBNO薄膜。CBNO薄膜晶粒在生長過程中受到界面能和彈性能的共同影響,c軸取向的晶粒(c軸晶粒)外延生長,a軸取向的晶粒(a軸晶粒)從c軸晶粒的附近生長。(2)在MgO(100)、(110)單晶基體上生長CBNO薄膜,利用面內(nèi)拉伸應(yīng)力,改善其介電性能。因a軸晶粒及與a軸夾角較小的其他取向晶粒含量的增多,兩者的剩余極化強度提高顯著(Pr～13 μC/cm2)。(3)CBNO薄膜的電滯回線均發(fā)生了收縮和傾轉(zhuǎn),較為細長。用優(yōu)化的肖特基模型對薄膜漏電流密度曲線進行擬合,研究發(fā)現(xiàn)薄膜中存有高濃度的空間電荷。(4)增大CBNO薄膜厚度,其介電性能得到優(yōu)化。外加電場為2750kV/cm時,400 nm CBNO薄膜的飽和極化強度為90 μC/cm2,對應(yīng)的儲能密度為86.8 J/cm3,為CBNO薄膜在儲能應(yīng)用方面打開了新思路。2.CBNO薄膜的取向生長(1)分別在YSZ(100)基體和以YSZ作為緩沖層的Si(100)基體上生長具有a軸擇優(yōu)取向的CBNO薄膜。(2)以YSZ作為緩沖層,在Si(100)基體上生長的CBNO薄膜的介電和鐵電性能顯著提高。由于其介電常數(shù)高,剩余極化強度大,以及Si單晶基體較大的泊松應(yīng)變,使得CBNO薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)的壓電系數(shù)d33(～30 pm/V)提高明顯。3.CBNO薄膜的中低溫制備(1)鍍膜溫度分別為450℃、500℃、600℃,在Si(100)基體上制備了結(jié)晶性良好且為(115)擇優(yōu)取向的CBNO薄膜,鍍膜溫度為500℃、600℃的CBNO薄膜的鐵電性能良好,而450℃C薄膜的電學(xué)性能需進一步提高。(2)調(diào)整鍍膜功率為70W、100W、120W,發(fā)現(xiàn)提高鍍膜功率,有利于提高CBNO薄膜的電學(xué)性能,尤其是介電性能。(3)引入LaNiO3(LNO)緩沖層,對中低溫下CBNO薄膜的性能并沒有起到有利的影響,反而降低了 CBNO薄膜的鐵電和介電性能。
[Abstract]:The ferroelectric thin film has a wide application prospect in the fields of microelectronics, optoelectronics and microelectromechanical systems due to the good ferroelectric, piezoelectricity and pyroelectric properties. The ferroelectric thin film of the bismuth layer perovskite structure has high fatigue resistance, low aging rate and high rate. Curie temperature and other characteristics have great potential in the field of high temperature and high frequency. However, the special layered structure (a BC) of the bismuth perovskite structure ferroelectric material (BC) makes the grain direction more difficult to adjust, and the film tends to grow along the direction of the c axis, but the polarization is mainly in the A-B surface, and the contradiction between the polarization direction and the direction of growth leads to such junction The ferroelectric polarization and the piezoelectric activity of the ceramics are lower.CaBi2Nb2O9 (CBNO) as a typical bismuth layer perovskite ferroelectrics. It is a.CBNO film formed by the alternating growth of (CaNb207) 2- layer and (Bi202) 2+ layer in the direction of C axis. The Curie temperature is up to 943 degrees C, and it has a great development prospect in the field of high temperature ferroelectric piezoelectricity. In the process of utilization, it is necessary to solve the problems of low polarization strength and low piezoelectric coefficient. The main research content of this topic is to adjust the orientation and stress state of the film by using the lattice matching theory from the angle of strain engineering, and to prepare the highly oriented CBNO film by RF magnetron sputtering, and study the strain state. The influence of substrate orientation, film thickness, bottom electrode thickness, cooling atmosphere, deposition temperature and buffer layer on the crystal structure, micromorphology and electrical properties of the thin film, and then improve the dielectric, ferroelectric and piezoelectric properties of CBNO films, and finally achieve medium and low temperature preparation of CBNO films on the Si matrix. The following results are obtained: 1.CBNO thin The strain regulation growth of the membrane (1) the strain regulated growth (200) / (020) preferred orientation of the CBNO film.CBNO film on the MgO matrix is influenced by the interfacial energy and the elastic properties. The c axis oriented grain (c axis grain) grows, and the a axis grain (a axis grain) grows from the c axis grain. (2) in MgO (100), (110) The CBNO film is grown on the single crystal matrix, and the dielectric properties are improved by using the tensile stress in the surface. The residual polarization strength of the a axis grain and the smaller angle of the a axis is increased significantly (Pr to 13 mu C/cm2). (3) the hysteresis loops of the CBNO film are both shrinking and tilting, and the optimized Schottky is used. The model is used to fit the leakage current density curve of the film. It is found that there is a high concentration of space charge in the film. (4) the dielectric properties of the CBNO film are optimized. When the applied electric field is 2750kV/cm, the saturation polarization of the 400 nm CBNO thin film is 90 Mu C/cm2 and the corresponding energy storage density is 86.8 J/cm3, which is the application of CBNO film in energy storage. The orientation growth of the new thought.2.CBNO film was opened (1) to grow CBNO films with a axis preferred orientation on the YSZ (100) matrix and the Si (100) matrix with YSZ as the buffer layer. (2) the dielectric and ferroelectric properties of the CBNO thin films grown on the Si (100) substrate increased remarkably with YSZ as the buffer layer. High intensities and larger Poisson strain of Si single crystal matrix make the piezoelectric coefficient d33 (~ 30 pm/V) of CBNO thin film heterostructures increase. The temperature of medium and low temperature of.3.CBNO film (1) is 450, 500, 600, respectively, and the CBNO film with good crystallinity and (115) preferred orientation is prepared on Si (100), and the coating temperature is 500. The ferroelectric properties of CBNO film at 600 C are good, and the electrical properties of C film need to be further improved. (2) the coating power is 70W, 100W, 120W. It is found that improving the coating power is beneficial to improve the electrical properties of the film, especially the dielectric properties. (3) the LaNiO3 (LNO) buffer layer is introduced, and the performance of the CBNO thin film at middle and low temperature is not the same. On the contrary, the ferroelectric and dielectric properties of CBNO films are reduced.
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TB383.2

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