(1-x)Sr2Bi4Ti5O18-xBiFeO3復合鐵電薄膜的制備及性能研究

張麗萍 ，張豐慶 ，楊士菊 ，郭曉東 ，范素華

(1.山東建筑大學 材料科學與工程學院，山東 濟南 250101；2. 山東建筑大學 山東省綠色建筑協同創新中心，山東 濟南 250101；3.山東女子學院，山東 濟南 250300)

0 引 言

隨著微電子工業和集成工業的發展，對鐵電材料的低工作電壓、小型化、集成化的要求逐漸提高，尋找良好的鐵電薄膜材料成為集成鐵電學發展的關鍵。鐵電存儲器材料在要求較高的剩余極化強度，良好的抗疲勞性和熱穩定性基礎上，還要求低的漏電流、與半導體集成技術相兼容的制備溫度以及無環境污染等。如今被用作鐵電存儲器材料的主要有鉍層狀鈣鈦礦材料和ABO3型鈣鈦礦材料。其中ABO3型材料中最具有代表性如鋯鈦酸鉛(PZT)[1]，雖然具有優良的鐵電性能，但其中含有的鉛元素不符合環境友好型發展的要求。

目前鉍系層狀鈣鈦礦結構鐵電材料(BLSF)[2-4]是鐵電存儲器的最佳候選材料之一，尤其是以Sr2Bi4Ti5O18(SBTi)為代表的SrmBi4Tim+3O3m+3(SBTim+3)鐵電材料由于較好的鐵電性能、較低的矯頑場強和漏電流以及較長的保持時間以及在Pt材料上有較好的抗疲勞特性等成為非易失鐵電存儲器(NVFRAM)研究的主要材料[5]，但其較低的居里溫度限制了其高溫下的使用。環境友好型多鐵材料BiFeO3(BFO)是斜六方畸變鈣鈦礦結構，具有優良的鐵電性和鐵磁性，制備溫度較低，具有較高的居里溫度(T=1100 K)[6]。BFO的這些特點使得其在高溫信息存儲、微機電系統和傳感器等多功能期間中有巨大的應用價值和前景，有望于取代鐵電材料PZT。

為了提高薄膜的性能，通常采用的方法有薄膜外延生長[7,8]，摻雜取代[9,10]，固溶共生等[11-13]。與BFO鐵電薄膜材料相比，SBTi的剩余極化強度較小，為了提高SBTi薄膜的鐵電性能，本實驗對SBTi和BFO進行了復合。制備出了(1-x)Sr2Bi4Ti5O18-xBiFeO3(SBFTi-x，x=0.1-0.4)(簡稱SBFTi)系列薄膜，并進行了研究分析。

1 實 驗

首先配制Sr2Bi4Ti5O18(SBTi)與BiFeO3(BFO)的前軀體溶液。前驅體溶液以乙二醇(C2H6O2)為溶劑，乙酰丙酮(C5H8O2)為螯合劑，冰醋酸(C2H4O2)、鈦酸四正丁酯(C16H36O4Ti)、硝酸鉍(BiN3O9·5H2O)、乙酸鍶(C4H6O4Sr·0.5H2O)、硝酸鐵(Fe(NO3)3·9H2O)為原料，其中鉍要過量來補充制膜過程中的揮發。原料按照Sr2Bi4Ti5O18、BiFeO3的化學計量式配制溶液，將配置好的溶液放在磁力攪拌器上經過充分攪拌制得淡黃色Sr2Bi4Ti5O18和暗紅色BiFeO3前驅體溶液，用移液管分別量取不同量的Sr2Bi4Ti5O18和BiFeO3溶液混合，配置成BiFeO3取代量分別為0.1、0.2、0.3、0.4的SBFTi復合溶液，溶液靜置得到凝膠，將凝膠采用旋轉涂膜的方法沉積到Pt金襯底上，采用層層退火工藝得到SBFTi-x薄膜，然后對其進行測試表征。

本實驗使用德國Bruker D8-Advance型X射線衍射儀分析樣品的晶體結構，用美國Radiant Precision型鐵電測試儀測試樣品的鐵電性能。

2 結果與討論

2.1 SBFTi-x(x=0.1-0.4)鐵電薄膜的晶體結構

圖1為退火溫度在575 ℃時制備的SBFTi-x(x=0.1-0.4)鐵電薄膜的XRD圖譜。從圖中可以看出鈣鈦礦結構已經形成，SBFTi-x薄膜樣品的XRD圖譜可以用5層鈣鈦礦結構的Aurivillius相Sr2Bi4Ti5O18(JCPDS∶14-0276)的標準PDF卡片衍射峰來標定。隨著x值的增大，XRD衍射峰變尖銳，x值為0.3的薄膜樣品的XRD的衍射峰最尖銳，此時結晶最好。此外，從圖中可以觀察到樣品中(1131)晶面衍射峰往小角度有一定的偏移。SBFTi-x薄膜中，BFO中的Fe3+取代了Ti4+，Ti4+(0.605 ?)比F3+(0.645 ?)離子半徑小，因此在取代過程中造成了衍射峰的偏移。

2.2 SBFTi-x(x=0.1-0.4)鐵電薄膜的鐵電性能

圖2是在1KHz下測得SBFTi-x(x=0.1-0.4)鐵電薄膜的電滯回線。從圖中可以看出。隨著BFO的取代量的增加，薄膜樣品測得的剩余極化強度逐漸增大，當取代量為0.3時，剩余極化強度2Pr=23.4 μC/cm2，矯頑場2Ec=28.0 kV/cm；取代量為0.4時，2Pr=40.3 μC/cm2，2Ec=40.7 kV/cm。但BFO取代量為0.4時，薄膜樣品的矯頑場強較大漏電流較大，因此綜合考慮， BFO取代量為0.3時，薄膜樣品的鐵電性較好。

2.3 SBFTi-x(x=0.1-0.4)鐵電薄膜的漏電性能分析

圖1 SBFTi-x (x=0.1-0.4) 鐵電薄膜的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of SBFTi-x (x=0.1～0.4) thin fi lms

圖2 SBFTi-x (x=0.1-0.4) 鐵電薄膜P-E電滯回線Fig.2 P-E hysteresis loops of SBFTi-x (x=0.1～0.4) thin fi lms

圖3 SBFTi-x (x=0.1-0.4) 鐵電薄膜BFO含量與2Pr和2Ec的關系圖譜Fig.3 The relationship of x with 2Pr and 2Ec for SBFTi-x(x=0.1～0.4) thin fi lms

圖4為SBFTi-x(x=0.1-0.4)鐵電薄膜的漏電流密度隨測試電場的變化曲線。從圖中可以看出隨著測試電場的增加，各組分薄膜樣品的漏電流密度不斷增加，且正負電場下的變化曲線并不完全對稱，負電場的變化更加平穩。隨著BFO取代量的增加，SBFTi-x鐵電薄膜的漏電流密度也逐漸增大。圖中，BFO取代量為0.4的薄膜樣品的漏電流密度比取代量為0.3的大一個數量級。這可能是隨著BFO取代量的增大，Bi元素與Fe元素含量增大，薄膜樣品制備時，Bi大量揮發形成大量氧空位；SBFTix(x=0.1-0.4)鐵電薄膜中鐵元素的價態不穩定，容易由Fe3+變為Fe2+，價態的變化也導致了氧空位的產生，使薄膜漏電流增大。

圖5為SBFTi-x鐵電薄膜的logJ-logE的關系曲線，薄膜的導電機制對其性能有重要影響，對該曲線進行分段線性擬合，可以得到不同電場范圍的曲線斜率，對其導電機制進行分析。導電機制一般有歐姆傳導機制和空間電荷限制傳導機制。從擬合結果來看，薄膜樣品在電場強度低于230 KV/cm時，SBFTi-x(x=0.1-0.4) 薄膜樣品的曲線擬合斜率都接近1(ɑ≈1)，這說明薄膜內部的漏電機制以熱激發電子主導的歐姆傳導機制為主；隨著電場強度的增加，擬合的斜率ɑ越來越大，上升到5左右，說明高電場下薄膜的導電機制發生了轉變。

圖6 SBFTi-x (x=0.1-0.4) 鐵電薄膜的ln(J/E2)-1/E曲線Fig.6 The ln(J/E2)-1/E curves of SBFTi-x (x=0.1～0.4) thin fi lms

由于測試電場較大，且曲線的擬合斜率也較大，初步分析薄膜樣品的導電機制為FN隧道效應，J-E關系可用公式(1)表示[15]：

其中，A、B是與電荷量、勢壘高度及隧道電子的質量有關的常數。

根據上式做ln(J/E2)-1/E曲線，并對高電場區進行了擬合，擬合結果如圖6所示。從圖中可以看出，高電場區域的ln(J/E2)-1/E曲線具有很好的線性關系，這表明在高電場下SBFTi-x鐵電薄膜漏電電流的導電機制主要為FN隧道效應。

3 結 論

用溶膠-凝膠法在Pt襯底上制備了SBFTi-x(x=0.1-0.4) 系列鐵電薄膜，研究了不同BFO取代量對SBFTi-x薄膜樣品的晶體結構以及鐵電性能的影響，并分析了相關機理。結果表明：退火溫度為575 ℃時，隨BFO取代量的增大，鐵電薄膜樣品的結晶度提高，當取代量為0.3時，SBFTi-x薄膜樣品的剩余極化強度2Pr=23.4 μC/cm2，矯頑場2Ec=28.0 KV/cm，漏電流較小，薄膜鐵電性能較好。

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