稀土掺杂Bi4Ti3O12铁电薄膜取向生长回线动力学研究

2019-07-11 12:05康永

山西大同大学学报(自然科学版) 2019年3期

康永

(榆林市瀚霆化工技术开发有限公司,陕西榆林718100）

铁电材料定义为具有自发极化且自发极化方向可随外电场翻转的电介质材料。自发极化是由于晶胞内原子位置变化导致正负电荷中心不重合而产生的。宏观表现为极化矢量与外电场之间存在电滞回线关系[1]，即具有铁电性。具有纳米量级厚度的铁电性薄膜被称为铁电薄膜，它是一种重要的功能材料，具有良好的压电、介电、铁电、光电以及热释电性。随着铁电薄膜制备技术的迅速发展，铁电薄膜的应用也日益广泛。铁电薄膜以其尺寸小、质量轻、集成方便、低工作电压、翻转速度快等优点，在集成光学、微电子学、光电子学等商业领域有着广泛应用[2-3]，Bi4Ti3O12铁电薄膜为铋系层状钙钛矿结构，如图1所示。具有大的剩余极化强度和良好的抗疲劳特性等优点，用其制成的铁电存储器具有较高的储存寿命和极低的漏电流等优点，且可以极大的缩小器件体积，有利于器件集成[4]。

图1 Bi4Ti3O12晶体结构图

Bi4Ti3O12铁电薄膜有很大的各向异性，其自发极化方向位自发极化矢量位于a—c平面，靠近a轴(与a轴成约 4.5 °)。随机取向的 Bi4Ti3O12铁电薄膜的应用具有很大的局限性，因为晶胞排列杂乱无章，分散了其各向异性。而不同应用领域的器件对性能的要求不同，要求利用其不同方向对应的不同性能，如非挥发性铁电存储器(NVFRAM)对极化强度的要求很高[5]、而MEMS要求好的压电性能，只有不同均匀取向的薄膜才能满足这些不同要求。因此对取向生长的Bi4Ti3O12铁电薄膜进行研究有重要意义。

1 实验部分

1.1 实验方案

分别对沿a/b轴择优取向和随机取向Bi4Ti3O12铁电薄膜进行标度，得到不同择优取向的Bi4Ti3O12铁电薄膜的动力学标度关系，对比研究标度关系的差异，并对比其电畴翻转过程的不同。

1.2 测量电滞回线的原理和方法

1)铁电体的自发极化强度并不是整个晶体为同一个方向，而是不同极化方向区域的叠加，既不同电畴的极化强度矢量叠加。由于热运动的影响，不加电场状态下铁电体内电畴取向杂乱，不同电畴间极化强度矢量叠加抵消，对外不呈现极化。外加电场超过矫顽场后，沿电场方向的电畴通过成核和畴壁运动体积扩大，其他极化方向的电畴体积减小或消失，宏观表现出总的极化方向沿外电场方向。所以表面电荷Q同外加电场E之间构成出电滞回线关系，表面电荷Q表征极化强度P。

2)实验采用美国Randiant Technology 公司生产的RT Premier П 型标准铁电测试仪，采用虚地模式进行铁电测量。测试波形采用三角波，图2为测试波形。

图2 测试电滞回线的脉冲波形

首先施加一个预极化脉冲将样品极化到负极化状态，以便在加一个周期测试波形后测得一条完整的电滞回线。间隔1 s 后开始施加一个周期的测量三角波来测试记录数据，三角波采用台阶形电压，隔一定时间上升一段电压，记录一次数据，通过积分感应电流计算出电极表面电荷，单位面积上的电荷即为剩余极化强度值,单位μC/cm2。

3)薄膜样品处理方法，用粒子溅射法在Bi4Ti3O12铁电薄膜样品的上表面刷上分离点状电极，下表面为导电基底，测试时，在显微操作台上将两个测量探针轻轻压在其中两个点电极上（要防止刺穿薄膜样品），即构成一个厚度两倍于薄膜厚度的电容器结构。

4)操作步骤

①启动铁电测试仪，运行铁电测试软件。②将信号输出端和接收端连接到待测材料电容结构的两个电极。③运行电滞回线测量程序，设定测试电压和频率进行测试。④执行程序得到电滞回线，并导出数据。⑤改变测试的电场强度和频率测量一系列电滞回线。