铋基类钙钛矿铁电材料的合成及性质研究【摘要】：近年来,铋基类钙钛矿铁电材料是铁电和固态电解质材料应用领域备受关注的功能材料之一,其应用研究已成为固态电子学领域的研究热点。
它的高居里温度、低介电常数、良好的抗疲劳性、高氧离子导电率和环境友好,在铁电存储器和中低温固态氧化物燃料电池(SOFC)等应用上具有潜在的发展前景。
但是,满足器件用的铋基类钙钛矿材料还面临若干问题,例如,铋基铁电薄膜的各向异性和结构稳定性问题,电解质材料满足器件集成的制备工艺和热稳定问题等。
本论文以钒酸铋(Bi_2VO_(5.5),BVO)及其金属掺杂材料为研究对象,针对以上问题研究了BVO体系铁电薄膜和Bi_2ME_(0.1)V_(0.9)O_(5.5-δ)(BIMEVOX.10)电解质材料的制备及性能。
主要研究结果如下:(1)采用化学溶液沉积(CSD)法,分别在LaNiO_3(LNO)/Si(100)、Pt/TiO_2/SiO_2/Si(100)衬底上制备了c轴取向的高质量BVO薄膜。
并对CSD工艺做了改进,用钒无机盐替代最初采用的乙酰丙酮氧钒,成功解决了金属醇盐价格昂贵且不易保存的问题。
深入研究了不同退火温度对BVO薄膜性能的影响。
700℃退火后的BVO薄膜显示出最优的性能,具有高度c轴取向,剩余极化和漏电流密度提高到10.62μC/cm~2和 1.92×10~(-8)A/cm~2。
分析了260-480K温度范围的介电特性,发现BVO薄膜中存在的多分散弛豫由氧空位等缺陷引起,传导机制主要为氧空位传导。
(2)研究了BVO薄膜与p-Si(100)衬底集成所形成MFIS(Metal-Ferroelectrics-Insulator-Semiconductor)结构的C-V特性,记忆窗大小约0.5V,这为BVO薄膜在场效应型铁电存储器的应用提供了优化的工艺条件。
采用椭偏光谱获得了BVO薄膜的光学常数,有助于开发其光学特性上的应用。
(3)首次用CSD法合成了具有良好铁电特性的混合铋基类钙钛矿铁电薄膜Bi_2VO_(5.5)-Bi_4Ti_3O_(12),薄膜剩余极化2P_r提高到12.46μC/cm~2,漏电流密度为1.17×10~(-8)A/cm~2。
为提高BVO材料的铁电特性提供了新技术途径。
(4)首次系统研究了不同比例La掺杂对BVO薄膜介电特性的影响。
La掺杂使BVO薄膜的介电常数、介电损耗增加,在少量掺杂(0.025摩尔比)时表现最明显。
其机理在于低浓度的La会先进行V位替换,La~(3+)和V~(5+)间的非等价替代及原子半径间的巨大相差,引起晶格体积膨胀和晶格扭曲的结构重排,引发氧空位V_o~¨等缺陷,造成介电常数、介电损耗的增加和弛豫程度的显著增强。
(5)用CSD法成功制备了BIMEVOX.10(ME=Ti,Co,Fe,Ni,Mn)薄膜,研究了其结构和电学特性。
重点讨论了BIMNVOX.10薄膜在300-485K温度范围的电特性,研究表明BIMNVOX.10薄膜的介电弛豫可能是由氧空位的短程扩散传导引起,属于多分散性弛豫。
发现BIMNVOX.10薄膜具有室温弱铁磁特性。
(6)深入研究了BIMEVOX体系电解质材料中具有最高电导率的Bi_2Cu_(0.1)V_(0.9)O_(5.35)(BICUVOX.10)粉体和薄膜材料的制备和特性。
采用化学溶液法制备了BICUVOX.10纳米粉末,比常规固相法的合成温度降低了～300℃。
研究了PEG4000表面活性剂、制备方法和粉末分散性间的联系。
发现PEG4000能有效改变纳米颗粒的团聚现象,其添加量和制备方法有关。
利用反向滴定沉淀法获得了平均粒径为20nm的产物,PEG4000的添加量约5wt%。
这一结果为获得分散性良好的BIMEVOX纳米粉末提供了工艺途径。
在LNO/Si(100)上生长了高质量的c轴择优取向BICUVOX.10薄膜,300-620K的中低温范围样品具有高氧离子导电性和良好的热稳定性,氧空位激活能为0.3eV,600K下的氧离子电导率为5×10~(-2)S·cm~(-1)。
(7)首次研究了BVO和BIMEVOX.10(ME=Mn,Fe,Co)粉体的磁性,发现该系列材料均表现出室温铁磁特性。
经过渡金属离子掺杂后,BVO铁磁性变强,其中Mn掺杂表现最明显。
BVO和BIMNVOX.10的剩余磁化,饱和磁化和矫顽场分别为 2.11,4.67memu/g;3.33,11.02memu/g和0.02,0.04kOe;BIMNVOX.10的居里温度为279℃。
另外,从理论上分析得出室温铁磁特性主要是由氧空位所引起;掺杂离子d态电子自旋引起不成对电子对自旋态重新分布,是造成磁性大小改变的主要因素。
【关键词】：钒酸铋化学溶液沉积法电学特性【学位授予单位】：华东师范大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2010【分类号】：TM221【目录】：摘要6-8Abstract8-11目录11-16第一章绪论16-341.1铋基类钙钛矿铁电材料概述16-221.1.1铋基类钙钛矿铁电材料结构和特点17-181.1.2铋基类钙钛矿铁电薄膜材料的制备方法18-201.1.3铋基类钙钛矿铁电材料的研究概况20-221.2Bi_2VO_(5.5)(BVO)体系材料概述22-311.2.1Bi_2VO_(5.5)(BVO)材料的结构、特性与研究状况22-241.2.2Bi_2ME_xV_(1-x)O_(5.5-δ)(BIMEVOX)的结构、特性与研究状况24-251.2.3Bi_2VO(5.5)(BVO)体系材料主要应用及制备方法25-261.2.4Bi_2VO_(5.5)(BVO)体系材料的性能测试方法26-311.3本论文的选题背景和主要研究内容31-34第二章Bi_2VO_(5.5)薄膜的合成与特性研究34-622.1引言34-352.2实验过程35-362.2.1样品的制备35-362.2.2样品性能测试362.3LNO/Si(100)衬底上的BVO薄膜特性36-442.3.1XRD分析36-372.3.2微观形貌特性37-382.3.3铁电特性38-392.3.4电流-电压(I-V)特性39-402.3.5介电特性40-422.3.6交流电导特性42-432.3.7复阻抗特性432.3.8X射线光电子能谱(XPS)分析43-442.4Pt/TiO_2/SiO_2/Si(100)衬底的BVO薄膜特性44-562.4.1XRD 分析452.4.2微观形貌特性45-462.4.3铁电特性46-472.4.4电容-电压(C-V)特性47-482.4.5电流-电压(I-V)特性48-502.4.6介电特性50-522.4.7交流电导特性52-542.4.8复阻抗特性54-562.5p-Si(100)衬底的BVO薄膜特性56-602.5.1微结构特性572.5.2电容-电压(C-V)特性57-582.5.3椭圆偏振光谱分析58-602.6本章小结60-62第三章混合铋基类钙钛矿Bi_4Ti_3O_(12)-Bi_2VO_(5.5)薄膜的制备和特性研究62-723.1引言623.2实验过程623.3性能测试62-633.4结果分析63-703.4.1XRD分析63-643.4.2铁电特性64-653.4.3疲劳特性65-673.4.4电流-电压(I-V)特性67-683.4.5电容-电压(C-V)特性68-693.4.6介电特性69-703.4.7交流电导和复阻抗特性703.5本章小结70-72第四章Bi_(2-x)La_xVO_(5.5)薄膜的制备与特性研究72-824.1引言724.2样品制备72-734.3性能测试734.4结果分析73-814.4.1微观结构特性73-754.4.2拉曼光谱分析75-764.4.3介电特性76-804.4.4交流电导特性80-814.5本章小结81-82第五章BIMEVOX.10(ME=Ti,Co,Fe,Ni,Mn)薄膜的制备与特性研究82-1005.1引言82-835.2实验过程835.2.1样品的制备835.2.2样品性能的测试835.3BIMEVOX.10(ME=Ti,Co,Fe,Ni)薄膜特性83-905.3.1微观结构特性83-855.3.2介电特性85-865.3.3电流-电压(I-V)特性86-895.3.4复阻抗特性895.3.5交流电导特性89-905.4BIMNVOX.10薄膜特性90-995.4.1结构特性90-915.4.2电流-电压(I-V)特性91-925.4.3介电特性92-935.4.4电模特性93-955.4.5复阻抗特性95-965.4.6交流电导特性96-985.4.7磁特性98-995.5本章小结99-100第六章BICUVOX.10纳米材料的制备与特性研究100-1246.1引言100-1016.2纳米颗粒材料的团聚和分散性101-1026.2.1纳米颗粒材料团聚产生原因1016.2.2纳米颗粒材料的分散101-1026.3实验部分102-1056.3.1主要原料1026.3.2BICUVOX.10纳米粉体材料的制备过程102-1056.3.3BICUVOX.10薄膜样品的制备过程1056.3.4性能测试1056.4BICUVOX.10粉末样品结果分析105-1166.4.1Sol-gel(SG)法制备的BICUVOX.10粉末样品特性分析105-1086.4.2EC法制备的BICUVOX.10粉末样品特性分析108-1116.4.3RP法制备的BICUVOX.10粉末样品特性分析111-1156.4.4BICUVOX.10粉末样品分散性研究115-1166.5BICUVOX.10薄膜样品结果分析116-1226.5.1XRD结果分析1166.5.2XPS结果分析116-1176.5.3微观形貌特性117-1186.5.4介电特性118-1196.5.5电流-电压(I-V)特性119-1206.5.6交流电导特性120-1216.5.7电导率—温度特性121-1226.6本章小结122-124第七章BVO和BIMEVOX.10(ME=Mn,Fe,Co)的磁性研究124-1307.1引言1247.2实验过程124-1257.3性能测试1257.4结果分析125-1297.4.1XRD分析125-1267.4.2磁性分析126-1297.5本章小结129-130第八章总结与展望130-1348.1总结130-1328.2展望132-134攻读博士期间发表的论文134-136参考文献136-158致谢158 本论文购买请联系页眉网站。