钛镁酸铋—钛酸铅高温铁电薄膜的制备及其电学性能研究

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钛镁酸铋-钛酸铅(BMT-PT)陶瓷在准同型相界(MPB)附近具有居里温度高,电学性能优异,含铅少,价格便宜等优点,在高温铁电器件方面具有潜在的应用前景。本文以BMT-PT为研究对象,研究了溶胶-凝胶法制备BMT-PT薄膜的工艺及性能;研究了Mn掺杂对BMT-PT薄膜结构和电学性能的影响;研究了钛酸铅晶种层的退火方式对BMT-PT薄膜的取向行为,微观结构和电学性能的影响。主要内容如下:采用优化的溶胶-凝胶薄膜工艺在Pt(111)/Ti/SiO2/Si衬底上制备了BMT-PT薄膜。研究了退火温度对BMT-PT薄膜的微观结构和电学性能的影响。结果表明BMT-PT薄膜的最佳退火温度为675℃。在675℃退火的BMT-PT薄膜为单一的钙钛矿结构且具有良好的结晶性。原子力显微镜观测表明,675℃退火的薄膜具有均匀致密的表面形貌。而且,BMT-PT薄膜具有优异的介电和铁电性能。在测试频率为1kHz时,其介电常数值εr和剩余极化强度Pr分别为1477和17.8μC/cm2。采用溶胶-凝胶法在Pt(111)/Ti/SiO2/Si衬底上制备了Mn掺杂的BMT-PT铁电薄膜。Mn掺杂量分别为0mol%,0.2mol%,0.3mol%,0.5mol%和1mol%。所有的BMT-PT薄膜均具有单一的钙钛矿相结构和致密的表面形貌。少量的Mn掺杂有效地降低了BMT-PT薄膜的介电损耗和漏电流。与未掺杂的BMT-PT薄膜相比,0.5mol%Mn掺杂的BMT-PT薄膜具有更小的漏电流密度,因而可以获得较为饱和的电滞回线。Mn掺杂使得BMT-PT薄膜的介电常数和剩余极化强度都减小了。在所有Mn掺杂的薄膜样品中,0.5mol%Mn掺杂的BMT-PT薄膜具有最大的介电常数和剩余极化强度。采用溶胶-凝胶法在Pt(111)/Ti/SiO2/Si衬底上制备了不含晶种层和以不同退火方式的PT为晶种层的BMT-PT铁电薄膜。研究了晶种层的退火方式对BMT-PT薄膜的取向行为,微观结构和电学性能的影响。X射线衍射结果表明,含有PT晶种层的BMT-PT薄膜均为(100)取向。而以快速退火的PT为晶种层时,所得的薄膜的(100)取向度更高。含有PT晶种层的BMT-PT薄膜表面更加光滑致密,晶粒更加细小。电学分析表明,随着BMT-PT薄膜的(100)取向度的增大,介电常数增大,而剩余极化强度和矫顽场减小。此外,含有PT晶种层的BMT-PT薄膜的介电损耗明显减小。
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