BFO/BCZT异质复合薄膜的脉冲激光沉积及其电学性能研究

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在微电子技术日益发展的今天,电子器件与集成电路等应用领域对铁电材料提出了薄膜化的新需求。铁酸铋(BFO)薄膜材料有巨大的理论剩余极化强度,在非易失性存储器等领域有很好的应用前景,但因漏电流过大的缘故很难发挥其真正的性能。为减小BFO薄膜的漏电流并提高其剩余极化强度,本研究一方面通过优化制备工艺入手,采用脉冲激光沉积(PLD)技术制备高质量的BFO薄膜;另一方面利用具有低漏导、高介电常数特点的锆钛酸钡钙(BCZT)薄膜构筑叠层异质复合结构,以达到阻隔漏电流的作用。采用PLD技术在SrTiO3(111)衬底上沉积了纯相、外延生长的BFO薄膜。在PLD工艺参数中,衬底温度(Tsub)和氧分压(PO2)参数主要影响BFO薄膜的结晶性与成分,而激光能量密度(DL)参数则主要影响薄膜的结晶性与取向性。通过优化工艺参数,Tsub=650℃,DL=1.5 J/cm2,PO2=12.5 Pa时得到的BFO薄膜具有优秀的电学性能,极化强度2Pr=133.3μC/cm2,电场强度100 kV/cm漏电流密度为4×10-7 A/cm2。通过对BFO薄膜漏电机制的探究,发现在较高电场强度下,存在杂相的BFO薄膜漏导由普尔-弗伦克尔发射机制主导,而纯相的BFO薄膜的漏导则由空间电荷限制电流(SCLC)机制主导。采用PLD技术在SrTiO3(111)衬底上沉积了外延生长BCZT薄膜。在制备工艺中,激光能量密度主要影响薄膜的结晶性,衬底温度和氧分压则对薄膜的结晶性和应变状态都有影响。Tsub=600℃,DL=1.5 J/cm2,PO2=15 Pa时得到的BCZT薄膜具有最高的介电常数和最低的介电损耗(εr=559,tanδ=0.037),漏电流密度低至9×10-8 A/cm2(E=100 kV/cm),在低场下遵循欧姆导电机制,而在高场下遵循SCLC机制。在得到最优的单层薄膜制备工艺基础上,通过调整沉积次序构筑不同结构的异质复合薄膜,分别为BCZT/BFO、BFO/BCZT和BZCT/BFO/BCZT。叠层次序对各层薄膜的应变状态有较大的影响,进而造成电学性能上的差异。其中BFO/BCZT相比于单层BFO薄膜提高了剩余极化强度并降低了矫顽场强(2Pr=178.6μC/cm2,Ec=206 kV/cm),且薄膜漏电流密度下降了约一个数量级,其漏电行为在低场强下符合SCLC机制,在高场下符合肖特基发射机制。
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