升溫速率對BiFeO3薄膜微觀結構和鐵電性能的影響

趙仲睿 閆 超 劉東訊 孫軍艷 李丹洋 朱明偉

(沈陽航空航天大學,遼寧 沈陽110136)

1 概述

以Pb（ZrxTi1-x）O3（PZT）為代表的鐵電材料具有優良的鐵電、壓電及光電性能，使其在鐵電存儲器（FeRAM）、薄膜電容器及微機電系統(MEMS)等領域具有廣泛的應用前景。但是隨著當前各國環境保護措施的深入，尋求環境友好的無鉛鐵電材料成為國際上鐵電材料研究領域的熱點。理論計算和實驗研究均表明，BiFeO3（BFO）單晶具有較大的自發極化值（～100℃/cm2），因此成為二十一世紀最具前景的PZT替代材料[1，2]。

室溫下體材料BFO為菱方結構，鐵電極化性能來源于Bi6s孤對電子。若進一步改善薄膜的晶格結構，形成四方相的BFO，Fe3+偏離對稱中心發生位移也會形成極化偶極子，從而增加BFO的剩余極化[3]。然而BFO薄膜的主要缺點是漏電流太大，導致薄膜的剩余極化值非常低[4，5]。研究表明，BFO中氧空位的存在導致Fe3+向Fe2+離子的轉變是導致薄膜漏電流升高的主要原因[6]。通常采用的方法是采用物理氣相沉積制備高質量的BFO外延薄膜，或者采用不等價元素對BFO薄膜A位或B位進行摻雜，降低BFO薄膜的漏電流[7-9]。Wang等采用快速加熱的方式制備BFO粉體材料，結果顯示快速加熱能夠有效降低BFO中的氧空位濃度，抑制Fe2+離子的形成[10]。

相比于氣相沉積方法，溶膠凝膠法具有可大面積制備、設備簡單以及成本低等優點。然而該方法所得薄膜為多晶薄膜，結晶質量較差且漏電流較大，亟需進一步改進。本研究采用溶膠凝膠法制備了BFO薄膜，研究了不同升溫速率對BFO薄膜相成分、微觀結構和鐵電性能的影響，并分析了升溫速率對BFO薄膜結構和性能的影響機制。

2 實驗步驟

2.1 BFO薄膜的制備

首先將硝酸鉍（Bi(NO3)3.5 H2O與硝酸鐵（Fe(NO3)3.9 H2O）按照1：1的比例混合，溶于乙二醇甲醚溶劑當中。然后在恒定攪拌下將乙酸酐加入到該溶液中，獲得濃度為0.15 M的前驅體溶膠，整個制備過程在室溫下的環境氣氛中進行。將溶膠靜置24小時后用于旋涂過程。選用LaNiO3/Si基片作為襯底，利用勻膠機旋涂鍍膜，具體旋涂工藝參數為：將配制好的溶膠滴到基片上進行旋涂，轉速1000rad/min旋涂10s，之后轉速調高為4000rad/min旋涂60s，得到溶膠膜。將溶膠膜置于熱板上，在120℃干燥10min；然后采用不同升溫速率（20℃/min、1200℃/min、1800℃/min）在快速加熱爐中500℃加熱30min，使薄膜晶化。上述鍍膜及加熱過程重復5次，獲得一定厚度的BFO薄膜。

2.2 BFO薄膜的結構和性能表征

采用X射線衍射儀（XRD）對BFO薄膜進行相成分和晶體結構分析；采用掃描電子顯微鏡（SEM）對BFO薄膜進行相表面和斷面微觀結構分析，獲得薄膜的微觀結構信息。利用鐵電綜合特性測試儀對BFO薄膜的鐵電性能進行測試，獲得薄膜的剩余極化以及矯頑電場值。

3 結果與討論

如圖1所示為不同升溫速率時，BFO薄膜的XRD結果。根據JCPDS卡片（No.20-0169）可知，圖中所有峰均來自BFO相，沒有雜相出現。升溫速率較低時BFO薄膜的衍射強度較低，隨著升溫速率的增加衍射強度逐漸增加，表明快速加熱有利于薄膜結晶度的提高。結晶度提高的同時薄膜的取向同時發生了變化，(021)取向和(003)取向的相對比例發生了變化，表明升溫速率的變化影響了BFO薄膜的結晶過程。根據Bragg衍射公式2dsinθ=nλ可知，三種升溫速率下薄膜衍射峰的位置未發生變化，故BFO薄膜的晶格常數是一樣的，較快的加熱速率并未導致應力的產生。薄膜衍射峰的半峰寬（FWHM）值發生變化，表明薄膜的晶粒尺寸和內部缺陷濃度均有所不同。根據謝樂公式，1800℃/min升溫速率下薄膜的衍射峰峰寬較小，故其晶粒尺寸較大。

圖1 不同升溫速率時BFO薄膜的XRD圖譜

圖2所示為不同升溫速率下BFO薄膜的表面及斷面形貌。由圖可見，不同升溫速率下所得薄膜均為致密、平整薄膜。盡管加熱溫度相同，但是不同升溫速率時BFO薄膜的晶粒尺寸不同，20℃/min時薄膜的晶粒尺寸約為20nm，而在1800℃/min升溫速率下BFO的晶粒尺寸增加到了80nm。隨著升溫速率的升高，薄膜中的晶粒尺寸顯著增大，這與XRD的結果一致，進一步確認了提高升溫速率可以改善薄膜的結晶質量。通常認為，高速率加熱則會促進薄膜的均質形核過程，而低速率加熱有助于薄膜的異質形核過程，從而導致晶粒尺寸的均勻性發生變化。但在當前的升溫速率下并未觀察到這種現象，三種升溫速率薄膜的晶粒尺寸大小均勻。Pascual等將升溫過程考慮在內，引入有效加熱溫度的概念Teff=∫Tdt/Δt來描述升溫速率對薄膜微觀結構的影響[11]。由此可見，升溫速率越大，加熱過程的有效溫度越大，相應的薄膜結晶溫度。這很好地解釋了高升溫速率下BFO薄膜結晶度改善的原因。

圖2 不同升溫速率下BFO薄膜的表面和斷面形貌圖

圖3所示為不同升溫速率所得BFO薄膜的電滯回線，圖示P-E回線測試均在1KHz下進行。由圖可見，當升溫速率為20℃/min，BFO薄膜的剩余極化值和矯頑場分別為3μC/cm2和80 kV/cm。當升溫速率為1800℃/min時，BFO薄膜的剩余極化值和矯頑場分別為5μC/cm2和180kV/cm。當升溫速率較高時，薄膜表面規整，結晶度高，因此薄膜中缺陷數目隨晶界數目的降低而減少，最大極化強度和矯頑場強也隨之增加。因此，高升溫速率有利于薄膜鐵電極化性能的改善。影響薄膜的極化性能和矯頑場的因素有很多，包括晶粒取向、缺陷濃度、晶界數目等，這些都與退火過程直接相關。采用最優的加熱速率和加熱溫度，有望獲得不經過摻雜獲得具有良好鐵電性能的純BFO薄膜。

圖3 不同升溫速率下的BFO薄膜的電滯回線

4 結論

采用溶膠-凝膠法制備BiFeO3薄膜，通過引入快速加熱方式，促進了BiFeO3薄膜在500℃下的結晶過程。研究發現，升溫速率大時薄膜的結晶度較高，晶粒尺寸較大，薄膜內部的晶體缺陷較少。對應的薄膜的鐵電極化性能較好。通過提高升溫速率改善了BiFeO3薄膜的鐵電性能，在1800℃/min升溫速率下，BiFeO3薄膜的剩余極化值和矯頑場分別為5μC/cm2和180kV/cm。本研究為BiFeO3薄膜的加熱制備方式提供了新的思路。