Bi4Ti3O12铁电薄膜掺杂改性及极化特性Landau-Devonshire理论研究.pdf

Property modification of Bi4Ti3O12 ferroelectric
thin films by doping and Landau-Devonshire
theory study of polarization characteristics



Candidate Zengshun Hu

Supervisors Professor Jinbin Wang

College Faculty of Materials, Optoelectronics and Physics

Program Preparation and Properties of Ferroelectric Thin Film

Specialization Material Physics and Chemistry

Degree Doctor of Engineering

University Xiangtan University

Date May 16, 2010



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湘潭大学
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摘要
摘要
有着低功耗、非挥发性、高读写次数、高存取速度、高密度存储、抗辐射以
及与集成电路工艺兼容等特点的铁电随机读写存储器在计算机、国防、航空航天
等领域有着广阔的应用前景和发展潜力。铁电薄膜因在铁电随机读写存储器中的
应用而备受关注。本论文使用化学溶液沉积法(CSD)针对 Bi4Ti3O12 (BIT)铁电薄

膜的制备与掺杂改性进行较为系统的研究, 同时利用朗道- 德文希尔
(Landau-Devonshire)理论研究了铁电薄膜的极化特性。在实验和理论研究方面的
内容和结果概括如下:
1. 实验上,在 A 位选择 Nd 元素,在 B 位分别选择 Mn、Mg、Al、Sc 等元
素,用 CSD 法在 Pt/Ti/SiO2/Si 等不同基片上制备了 A、 B 位共掺杂的
(BNTMn) 、 -xMgxO12 (BNTMg(x)) 、
Bi4- (BN(x)TMg) 、 -xAlxO12 (BNTAl(x)) 、
-xScxO12 (BNTSc(x))和 -x(Alx,Scx)O12 (BNT(Al(x),Sc(x))
薄膜,探讨了其性能改善的物理机制,得到了如下成果:
(1)选用 Nd 作为 BIT 薄膜的 A 位掺杂元素(BNT),详细研究了 B 位 Mg 受主
掺杂对 BNT 薄膜性能的影响,着重研究了热处理温度、掺杂含量对 BNTMg 薄
膜的微结构和电学性能的影响。发现 700 °C 为最佳退火温度,薄膜的剩余极化
随着掺杂量增加先增加后减小。在 BNTMg(x)薄膜中,由于 Mg 离子的半径比 Ti
离子的半径大,从而导致 TiO6 八面体中产生更大的晶格畸变,从而有利于提高
铁电薄膜的极化。
(2)详细对比了 B 位 Mn 和 Mg 元素的受主掺杂 BNT 薄膜的铁电性能。研究
发现,BNTMg 薄膜的剩余极化值大于 BNTMn 薄膜。一方面,替换 Ti4+的 Mg2+
3+
离子半径()比 Mn 离子半径()大,引起 TiO6 八面体发生大的晶格
畸变;另一方面,铁电性能的改善是外层电子的轨道杂化和晶格畸变共同作用的
结果。
(3)尝试性地提出在 BNT 薄膜 B 位同时掺杂 Al 和 Sc 元素,对晶胞中