新型无铅Na0.5Y0.5TiO3铁电薄膜的制备及性能

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(河北大学物理科学与技术学院，铁性材料与器件研究所，保定 071002)

0 引 言

铁电材料具有丰富的物理性能，可用于制备电容器件、压力传感器、铁电存储器等一系列电子元件[1]，目前铁电材料在铁电阻变材料[2]、铁电光伏材料[3]、磁电耦合材料[4]等方面的应用已成为研究的热点。随着人们环保意识的提高，Na0.5Bi0.5TiO3(NBT)无铅铁电陶瓷受到了广泛的关注，NBT基铁电陶瓷具有剩余极化强度高(38 μC·cm-2)、烧结温度低(小于1 200 ℃)等优点，但存在极化矫顽场高，难以获得致密的材料，钠、铋元素容易在高温下损失等缺点，从而限制了其应用范围[5]。

Na0.5Y0.5TiO3(NYT)陶瓷是与NBT陶瓷类似的A位复合钙钛矿型化合物，Y3+和Na+随机占据A位，Ti4+占据B位，Ti4+与相邻的6个O2-构成Ti-O八面体，由于NYT结构的容忍因子偏离1的程度较大，因此NYT是一种畸变钙钛矿型化合物，Ti-O八面体发生倾斜扭转，该八面体的扭转符号为a-a-c+，属于正交晶系、pnma空间群，光学带隙为3.3 eV[6]。NYT陶瓷为无铅环保材料，且NYT陶瓷中的钇元素相对于NBT中的铋元素更不易挥发，成分更容易控制，因此对NYT陶瓷的研究具有一定意义。

由于NYT陶瓷中的钇元素属于稀土元素，具有丰富的能级结构，有利于电子的多能级跃迁，因此NYT陶瓷在发光材料领域已有较多的研究报道[6-7]，但是在电学性能方面的研究很少。BARIK等[8]对NYT陶瓷材料的铁电性能进行了研究，结果表明该陶瓷的铁电性能较差，推测可能与陶瓷结构中的拓展缺陷多[9]、漏电大等因素有关。与陶瓷相比，单晶薄膜内部的缺陷及杂质较少，因此作者采用射频磁控溅射法在[001]取向的掺铌钛酸锶(Nb:STO)单晶上制备外延NYT薄膜，研究了该薄膜的物相组成、显微结构、铁电性能和电输运性能等。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验原料有碳酸钠(Na2CO3)，纯度为99.99%，由上海阿拉丁生化科技股份有限公司提供；氧化钇(Y2O3)，纯度为99.99%，由上海阿拉丁生化科技股份有限公司提供；二氧化钛(TiO2)，金红石结构，纯度为99.99%，由上海阿拉丁生化科技股份有限公司提供；Nb:STO单晶，[001]取向，铌掺杂质量分数0.7%，由合肥科晶材料技术有限公司生产；铂靶材，纯度为99.99%，由中诺新材(北京)科技有限公司生产。

将Na2CO3、Y2O3、TiO2按照化学计量比1∶1∶4进行配料，研磨2 h使其混合均匀，然后置于烧结炉中，在1 050 ℃下保温2 h，得到NYT陶瓷粉体；将NYT陶瓷粉体研磨2 h后，放入内径60 mm的圆柱形模具中，在40 MPa压力下保持20 min压制成型，然后在烧结炉中于1 100 ℃保温4 h烧结成NYT陶瓷。

选用[001]取向的Nb:STO单晶为衬底，制备得到的NYT陶瓷为靶材，采用射频磁控溅射法，在CKD-470型磁控溅射仪上制备250 nm厚的NYT薄膜，沉积温度为630 ℃，氩气和氧气的流量分别为75，25 mL·min-1，压力为3.0 Pa，溅射功率为90 W，得到NYT/Nb:STO试样。

将NYT/Nb:STO试样的NYT薄膜一侧与直径100 μm的微孔掩膜板接触，用透明胶带进行固定，采用CKD-470型磁控溅射仪在室温条件下制备80 nm厚的铂顶电极，氩气流量为50 mL·min-1，压力为3.0 Pa，溅射功率为50 W，得到Pt/NYT/Nb:STO三明治结构的试样，用于铁电和电输运性能测试。

1.2 试验方法

采用D/max2PC 2500型X射线衍射仪(XRD)测NYT薄膜的物相组成，使用铜靶，Kα射线，管电流为25 mA，管电压为40 kV；采用高能电子衍射仪(RHEED)应用非原位法测试NYT薄膜的结构信息，将NYT/Nb:STO试样置于真空腔体中，保持真空度不大于10-4Pa，电子加速电压30 kV，灯丝电流1.5 A，旋转试样，得到电子束沿〈100〉晶向入射时的衍射图，再将试样顺时针旋转45°，得到电子束沿〈110〉晶向入射时的衍射图；采用DINanoscope Ⅲa 3000型原子力显微镜(AFM)观察NYT薄膜表面形貌；采用Nova NanoSEM 450型扫描电镜(SEM)观察NYT/Nb:STO试样的截面形貌。

采用Precision LC/100型铁电测试仪测NYT薄膜的电滞回线，测试时两端探针均扎在铂顶电极上，测试频率为1 kHz。采用DINanoscope Ⅲa 3000型原子力显微镜的压电模式(PFM)观察NYT薄膜的铁电畴运动，测试过程：首先在探针上施以-12 V的偏压对选取的20 μm×20 μm区域进行极化，然后在探针上施以+12 V偏压对中间的10 μm×10 μm区域进行极化，最后重新测试20 μm×20 μm区域在0偏压下的极化分布。采用 Keithley 2602型多功能数字源表，通过2种方法测试NYT薄膜的电输运性能：第1种方法是将两端探针均扎在铂顶电极上，先测试0 →40 V，再测试0 →-40 V，采点数为101个，采点时间为100 ms；第2种方法是将一端探针扎在铂顶电极上，另一端探针扎在Nb:STO底电极上，先测试0 →17 V，再测试0 →-40 V，采点数为101个，采点时间为100 ms。

图1 NYT薄膜的XRD谱和RHEED谱Fig.1 XRD pattern (a) and RHEED pattern (b) of NYT thin film

2 试验结果与讨论

2.1 物相组成与结构

图2 NYT薄膜的AFM表面形貌和NYT/Nb:STO试样的SEM截面形貌Fig.2 AFM surface morphology of NYT thin film (a) and SEM section morphology of NYT/Nb:STO sample (b)

图3 NYT薄膜的电滞回线和压电响应Fig.3 Ferroelectric hysteresis loop (a) and piezo response (b) of NYT thin film

2.2 微观形貌

由图2(a)可知，NYT薄膜的表面均匀、无杂质，经计算其均方根粗糙度只有0.11 nm，具备原子量级的表面平整度，与RHEED谱结果相吻合，这体现出采用磁控溅射法制备的薄膜具有表面均匀平整的优点[10]。由图2(b)可以看出，NYT薄膜与Nb:STO单晶间存在清晰的界面，NYT薄膜厚度均匀，为250 nm，这表明NYT薄膜具有良好的结晶质量。

2.3 铁电性能

由图3(a)可知，NYT薄膜的电滞回线具有回滞现象，这表明NYT薄膜具有铁电性能，其剩余极化强度为0.3 μC·cm-2，矫顽场为178 kV·cm-1，同时具有同类型无机铁电材料[11-12]所不具备的高耐压强度(2 000 kV·cm-1)。由图3(b)可以看出，NYT薄膜的中间区域同周边区域形成了明显的相位差，这是由于中间区域和周边区域所加载的电场方向不同，并且在撤除极化电场后两区域均继续维持各自的偏置状态，这说明NYT薄膜内存在可逆铁电畴，同时进一步表明NYT薄膜具有铁电性能。

2.4 电输运性能

图4中的J为电流密度，E为电场强度，V为电压。由图4可知：Pt/NYT/Nb:STO试样的J-E曲线在正、负偏置场下呈对称分布，在±800 kV·cm-1偏置电场下的电流密度均仅为10-6的数量级，表现出低的漏电特性；J-V曲线的特征类似于将两个相同的肖特基结二极管背靠背连接时的J-V特性，阈值电压为35 V。由于试样在测试范围内均具有低的漏电流密度，受仪器测量精度的限制，拟合结果的可靠性较低，因此采用第2种方法来分析其电输运机理。

由图5(a)可知：Pt/NYT/Nb:STO试样的J-E和J-V曲线均表现出明显的整流现象，外加电场强度为±600 kV·cm-1时的电流密度之比达104数量级，这表明薄膜/电极界面存在不对称的肖特基结；负偏压下具有低的漏电流密度，说明肖特基结处于反偏状态，阈值电压为-35 V，电流传导受反偏状态的肖特基结控制；正偏压下具有较高的漏电流密度，表明肖特基结处于正偏状态。由图5(b)可以看出：正偏压一侧的拟合曲线符合陷阱态控制的空间电荷限制电流机制[13-14]，这表明NYT薄膜内存在丰富的与缺陷有关的陷阱态，电流传导受到NYT薄膜内陷阱态的控制；图中利用虚线代替了欧姆导电部分，这是由于该部分处于低偏压段，漏电流密度低，受仪器测量精度限制，无法进行拟合。

图4 第1种方法测得的Pt/NYT/Nb:STO试样的J-E曲线和J-V曲线Fig.4 J-E curve (a) and J-V curve (b) of Pt/NYT/Nb:STO sample measured by the first method

图5 采用第2种方法测得的Pt/NYT/Nb∶STO试样的J-E曲线，J-V曲线和正偏压一侧的J-V拟合曲线Fig.5 J-E curve (a), J-V curve (b) and J-V fitted curve at the side of positive partial voltage (c) of Pt/NYT/Nb:STO sample measured by the second method

由图5还可以看出，Pt/NYT/Nb:STO试样在负偏压一侧的耐压强度明显大于正偏压一侧的，这是因为处于反偏状态的肖特基结承载了NYT薄膜的部分压降，相当于提高了NYT薄膜的耐压强度，这也是电滞回线出现高耐压强度的原因。薄膜/电极界面存在的肖特基势垒会对NYT薄膜内的铁电极化造成影响：一方面，界面势垒会承担部分压降[15]，NYT薄膜受到的极化场作用减小，铁电畴运动受到抑制[16]；另一方面，由于NYT薄膜内的载流子运动受到界面势垒阻挡作用，导致载流子在正负电极附近积聚并形成异性电荷[17-19]，从而产生与外加极化场方向相反的电场，不利于NYT薄膜内的铁电极化。因此，通过降低界面势垒的影响可以在一定程度上提高NYT薄膜的铁电性能。

3 结 论

(1) 利用射频磁控溅射法在Nb:STO衬底上制备的NYT薄膜具有[001]取向的外延结构，表面平整，界面清晰，结晶质量良好，厚度为250 nm。

(2) NYT薄膜具有铁电性能，其剩余极化强度为0.3 μC·cm-2，矫顽场为178 kV·cm-1，耐压强度约2 000 kV·cm-1。

(3) NYT薄膜/电极界面存在肖特基势垒，反偏状态的肖特基结显著降低NYT薄膜的漏电流密度，提高NYT薄膜的耐压强度；肖特基结处于正偏状态时的电流密度较大，电流传导符合陷阱态控制的空间电荷限制电流机制。

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