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随着铁电存储器材料研究的深入,含铋层钙钛矿结构铁电薄膜(BLSF)近年来引起了人们的极大兴趣。其中,Bi4Ti3O12及其改性铁电薄膜是应用于铁电存储器的最热点材料之一。 本文采用溶胶-凝胶法在Pt/TiO2/SiO2/Si衬底上制备了Bi4Ti3O12(BTO)系列薄膜。研究了A位和B位掺杂对BTO薄膜的微结构和铁电性能的影响;研究了缓冲层对BNT薄膜的结构和性能的影响;用ANSYS9.0软件对Bi4Ti3O12薄膜退火后的热应力状态进行了模拟,并采用X射线衍射法对BTO及改性薄膜的残余应力进行了测量和计算,研究了不同条件下BTO的ICP刻蚀及残余应力的变化。主要结论如下: 将制备的Bi4Ti3O12薄膜分别在600-800℃下退火30分钟,通过比较确定最佳退火温度为750℃;750℃下退火的BTO薄膜为具有随机取向的多晶膜,在10V电压下剩余极化值为8.05μC/cm2;薄膜在经过5×109循环次数后,极化值只有初始的67.2％,疲劳特性有待改善;漏电流密度值在10-6和10-4A/cm2之间;当频率为100kHz时,BTO薄膜的介电常数和介电损耗分别为245和0.025。 掺杂了La元素的Bi3.25La0.75Ti3O12(BLT)和掺杂了Nd元素的Bi3.15Nd0.85Ti3O12(BNT)薄膜与相同工艺条件下制备的 BTO薄膜相比铁电性能得到增强,疲劳特性也得到了显著的提高。掺Nd后的BNT薄膜具有最优的铁电性能、疲劳特性和漏电流特性。 A位La和Nd共掺杂的Bi3.15(LaxNd1-x)0.85Ti3O12(BLNT,x=1/4,1/2,3/4)系列薄膜,随着La掺杂比例的减小,Nd掺杂比例的增加,BLNT薄膜的极化值逐渐增大,在10V电压下,BLNT26、BLNT44和BLNT62薄膜的Pr值分别为:11.6μC/cm2,20.65μC/cm2和22.67μC/cm2。 对BNT进行B位Zr4+掺杂后,随着掺量的增加,BNTZx(x=0,2%,4%,6%,8%和10%)薄膜的剩余极化值先逐渐增加后减小,当x=6%时达到最大,而矫顽电压Vc值几乎没有什么变化。掺杂了Zr的薄膜的疲劳特性均比未掺杂的BNT薄膜的要差一些。 通过加入TiO2种子层使BNT薄膜的a轴取向度大大增加,铁电性能也有所增强。在具有不同厚度TiO2缓冲层的BNT-Tx系列薄膜中,BNT-T20薄膜的性能最优。通过制备LaNiO3缓冲层,BNT薄膜的疲劳特性和漏电流密度得到了很大的改善。 采用ANSYS9.0软件对Bi4Ti3O12薄膜退火过程中形成的热应力进行了模拟。当Bi4Ti3O12薄膜厚度为0.3μm时,薄膜经过退火之后产生的热应力为压应力。在相同的衬底厚度下,热应力数值与薄膜厚度有关。当BTO薄膜的厚度从0.1μm逐渐变化为1μm时,薄膜表面的热应力从最大的压应力逐渐减小,当厚度为0.8μm时转变为拉应力,且随着厚度的增加继续增加。 X-射线衍射结果表明BTO及其改性薄膜表面的残余应力均为拉应力。对Bi4Ti3O12薄膜进行A位掺杂之后薄膜内部的拉应力值增大,且以BNT薄膜内部的拉应力最大。对BNT薄膜进行B位的Zr掺杂后薄膜的拉应力值大大减小,BNTZx(x=6%)薄膜的应力值为259.5MPa;添加了缓冲层的BNT薄膜仍承受着拉应力,计算得出的具有TiO2(20nm)缓冲层和LaNiO3缓冲层的BNT薄膜的应力值分别为235.4MPa和176MPa。 采用ICP刻蚀工艺对BTO和BNT铁电薄膜进行刻蚀。刻蚀速率随着刻蚀气体中Ar的加入先增加后减小,当Ar/Cl2比为25%左右时达到最大。刻蚀后BTO和BNT薄膜的铁电性能有所下降,且随着刻蚀气体中Ar/Cl2比例的增加,薄膜铁电性能逐渐下降。经过ICP刻蚀后的薄膜边缘平直、清晰,同时薄膜刻蚀边缘的损伤程度也较小,刻蚀效果较好。刻蚀导致BNT薄膜内部的残余拉应力增加。但随着刻蚀气体中Ar气的增多,应力值逐渐减小。