Co和Nb掺杂PZT铁电薄膜的制备及性能研究

采用溶胶-凝胶法在LaNiO3／Si衬底上制备了PbCoy（Zrx，Ti1-x）O3（PCZT）与PbCoyNbx（ZrxTi1-x）O3PCNZT）铁电薄膜，实验发现钴掺杂PZT比例为12mol％时，PCZT薄膜具有优良的铁电性和介电性，但是漏电流较大．为了能够很好地弥补PCZT薄膜漏电流太大的缺点，在12mol％Co掺杂的PCZT薄膜中掺入不同比例的Nb（在1mol%～10mol％掺杂范围内），实验结果表明，Nb掺杂比例越大，PCNZT薄膜的漏电流越小，但同时Nb掺杂减小了PCZT薄膜的剩余极化强度和介电常数．     

Improper ferroelectricity in perovskite oxide artificial superlattices

Ferroelectric thin films and superlattices are currently the subject of intensive research because of the interest they raise for technological applications and also because their properties are of fundamental scientific importance. Ferroelectric superlattices allow the tuning of the ferroelectric properties while maintaining perfect crystal structure and a coherent strain, even throughout relatively thick samples. This tuning is achieved in practice by adjusting both the strain, to enhance the polarization, and the composition, to interpolate between the properties of the combined compounds. Here we show that superlattices with very short periods possess a new form of interface coupling, based on rotational distortions, which gives rise to 'improper' ferroelectricity. These observations suggest an approach, based on interface engineering, to produce artificial materials with unique properties. By considering ferroelectric/paraelectric PbTiO3/SrTiO3 multilayers, we first show from first principles that the ground-state of the system is not purely ferroelectric but also primarily involves antiferrodistortive rotations of the oxygen atoms in a way compatible with improper ferroelectricity. We then demonstrate experimentally that, in contrast to pure PbTiO3 and SrTiO3 compounds, the multilayer system indeed behaves like a prototypical improper ferroelectric and exhibits a very large dielectric constant of epsilon(r) approximately 600, which is also fairly temperature-independent. This behaviour, of practical interest for technological applications, is distinct from that of normal ferroelectrics, for which the dielectric constant is typically large but strongly evolves around the phase transition temperature and also differs from that of previously known improper ferroelectrics that exhibit a temperature-independent but small dielectric constant only.     

准同型相界钛酸铋钠基无铅铁电薄膜的制备及其性能研究

发展环境友好的传感器、存贮器及换能器用铁电与压电薄膜是当前的研究热点之一．采用脉冲激光沉积（PLD）的方法,通过优化制备工艺,引入La0.6Sr0．4CoO3（LSCO）作为缓冲层,在Pt／Ti／SiO2／Si衬底上制备了准同型相界组分掺杂微量Mn元素的Bi0.5Na0.5TiO3-BaTiO3 34薄膜,并对其相结构、微观形貌、铁电、介电等性能进行了研究．结果表明：该薄膜具有纯钙钛矿结构,结构致密,显示出良好的电性能,其中剩余极化可达到1．15×10-1C·m^-2,1kHz下薄膜的相对介电常数约1000．     

Effect of La and Co-doping on microstructure and electrical properties of Bi FeO_3 thin films

Adding both La3＋and Co3＋was used to tune the microstructure and electrical properties of Bi Fe O3（BFO） thin films, and Bi1-xLaxFe0.90Co0.10O3 thin films were grown on the Sr Ru O3-buffered Pt-coated silicon substrates by a radio frequency sputtering. A polycrystalline structure with（110） orientation was shown in thin films, and their resistivity dramatically increases as the La3＋content increases. Their dielectric constant increases,and dielectric loss decreases with increasing La3＋content.In addition, their ferroelectric and fatigue properties were enhanced with rising La3＋content. The thin films with x = 0.03 have optimum electrical properties（e.g., remanent polarization 2Pr＊ 175.6 l C/cm2, coercive field2Ec＊ 699.5 k V/mm, dielectric constant er＊ 257 and tan d ＊ 0.038）, together with a good fatigue behavior. The impendence analysis of the films was conducted to identify the defects type during conductivity, and both hopping electrons and single-charged oxygen vacancies are mainly responsible for the conduction of grain and grain boundaries regardless of La3＋content. As a result, the doping with both La3＋and Co3＋benefits the improvement in the electrical properties of BFO thin films.     

Mn掺杂PBST薄膜的溶胶-凝胶工艺制备及介电调谐性能

采用溶胶-凝胶工艺在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备了Mn掺杂的钛酸锶铅钡PBST铁电薄膜.探讨了掺杂后PBST薄膜的微观结构及其铁介电性能.实验结果表明:随着Mn的掺杂量的增加,PBST薄膜的晶化质量变好,介电常数、介电损耗和调谐量均有减小的趋势,其优值因子有显著的提高.在测定频率为1 MHz下,掺杂后的PBST薄膜介电常数和介电损耗呈下降趋势,薄膜的介电常数从未掺杂的1 250降低至掺杂后的610,同时介电损耗由0.095减小到0.033,当Mn为J4 mol％时,有最小的介电损耗0.033,虽然调谐量不是最高的,但有最大的优值因子(FOM),其微波介电综合性能有所改善.     

Al/SiO_2 周期迭层膜式微型偏光器中的Al膜层

对周期性Ａｌ／ＳｉＯ２迭层膜式微型偏光器中的Ａｌ膜层进行了研究．高消光比的迭层膜式微型偏光器的性能主要决定于Ａｌ膜层的介电常数．从理论上分析了影响Ａｌ膜层介电常数的因素及Ａｌ膜层的介电常数偏离体金属Ａｌ相应值的原因．Ａｌ膜层溅射沉积条件实验研究结果表明,沉积速率、膜层厚度及基底形貌的控制和选择是非常重要的     

退火对非晶Al2O3高k栅介质薄膜特性的影响

利用射频反应溅射方法制备了Al2O3非晶薄膜,用椭圆偏振仪获得了薄膜的厚度,用高频C-V和变频C-V及J-V测量了薄膜的电学特性,用X射线以衍射(XRD)检测了薄膜的结构,用原子力显微镜(AFM)观察了薄膜的表面形貌.实验得到了电学特性优异的薄膜样品,对薄膜的退火研究发现,氮气低温退火使Al2O3薄膜的介电常数得到了提高并使漏电流特性得到了改善.可以认为,氮气退火消除了薄膜中原有的缺陷,并使得薄膜更加致密是主要的原因,而过高温度的退火会导致氧化铝中少量的氧的损失,从而导致了氧化铝层中固定电荷密度的增大,进而出现了大的平带电压.XRD显示样品的非晶特性非常稳定,AFM显示薄膜表面非常平整,能够满足大规模集成电路短期的发展需要.     

梯度铁电薄膜热释电性质的理论研究

为了探讨提高铁电薄膜热释电性质的理论途径,建立组分梯度铁电薄膜的理论模型,在热力学唯像理论的框架下,引入一个分布函数描述组分梯度的特性,通过改变参数a、外电场的强度及方向等因素,重点研究了组分梯度铁电薄膜的热释电性质.研究表明:薄膜内各组分的梯度分布导致了极化强度的梯度分布;参数a和所施加外电场的情况是影响铁电薄膜性质的两个重要因素,对改变热释电材料的工作温区和探测灵敏度都有显著影响,该论文的研究为铁电薄膜热释电器件的制备及实际应用提供了理论参考依据.     

热处理方式对P(VDF-co-TrFE)压电、介电及铁电性能的影响

采用溶液流延法制备了铁电聚合物聚偏氟乙烯-三氟乙烯(P(VDF-co-TrFE))厚膜,用X射线衍射仪(XRD)和热重分析仪(DSC)确定了聚合物晶型,并用偏光显微镜(POM)比较了不同热处理后聚合物的结晶形态。在此基础上,用热极化方式处理了P(VDF-co-TrFE),使该材料的压电系数(d33)提高到-22 pC/N,并比较了不同极化电场下三种热处理聚合物的压电性能。然后用介电测试系统表征了退火处理后不同d33P(VDF-co-TrFE)样品的介电性能,结果表明高压电性会降低此类材料的介电常数。最后通过铁电测试系统解释了P(VDF-co-TrFE)偶极子转向对材料极化强度的影响,阐明了其压电性的来源和影响机理。研究结果表明,通过物理方式改善聚合物的结晶性能,可提高材料剩余极化强度,并可获得高压电性能聚合物厚膜。     

两表面层铁电薄膜体介质层效应理论研究

基于横场伊辛模型的平均场近似理论,研究了具有两个表面层铁电薄膜的体介质层对整个铁电薄膜相变性质的影响.给出了一个适合于研究任意层数具有两个表面层及体介质层铁电薄膜相变性质的递归公式.研究了体介质层的交换相互作用参量和横场参量对整个铁电薄膜相图的影响,以及交换相互作用参量对横场参量过渡值的影响和横场参量对交换相互作用参量的影响.结果表明,相图中铁电区、薄膜的居里温度、体介质层的横场参量过渡值均随体介质层的交换相互作用参量的增大而增大;体介质层的交换相互作用参量随体介质层的横场参量的增大而增大;而相图中铁电区、薄膜的居里温度却随体介质层的横场参量的增大而减小,并且发现体介质层的交换相互作用参量对薄膜的影响比其横场参量稍大些.最后也给出了两个表面层的交换相互作用对相图的影响.     

锆钛酸铅铁电薄膜的制备及在红外探测器中的应用

研究了敏感元材料锆钛酸铅(PZT)铁电薄膜的制备、结构和性能，并采用半导体光刻工艺和化学腐蚀的方法成功地对PZT铁电薄膜进行了刻蚀，同时采用剥离技术对相应的电极实现了图形化。该研究为铁电薄膜在热释电红外探测器中的应用奠定了基础。     

基于共面波导传输线的铁电薄膜可调带通滤波器

铁电薄膜的介电常数强烈地依赖于所施加电场强度的大小。基于这一原理,提出一种新颖的基于共面波导传输线结构的铁电薄膜可调带通滤波器。滤波器的输入输出采用抽头线的方式分别与谐振器相接,外加电压通过滤波器的输入输出端口直接施加到谐振器处的铁电薄膜上,用以改变铁电薄膜的介电常数,从而改变谐振器的谐振频率,实现带通滤波器通带频率的移动。这种新型结构的铁电薄膜可调带通滤波器具有结构紧凑、尺寸小及施加外加偏压容易等优点。仿真结果表明:铁电薄膜的介电常数在外加偏压下从250减小到200时,带通滤波器的传输特性曲线的形状基本保持不变,通带的中心频率从9.95GHz增加到10.04GHz,其3dB带宽保持在0.13GHz,反射损耗始终小于-20dB。     

一种简单的溶胶-凝胶法制备二氧化锆介质层

在电子产业中,能够进行低压操作以及能够在非常薄的薄层上进行器件设计的材料备受关注.并且,这些材料需要使用方法简单、快速、可靠.作者提出一种简单且快速可靠的沉积高k二氧化锆介电层的方法.整个过程从原来常规过程的140分钟缩短到10分钟.这种改进的方法在操作流程方面有显著的提升.这种溶胶凝胶法制备的样品介电层厚度远小于与之前报道的样品,其厚度约为原方法制备样品的25%.在优化操作过程与降低介电层厚度的同时,二氧化锆的介电性质并没有被影响.作者进一步研究了样品的介电特性,在90K到300K之间介电性质的变化小于10%.     

Critical thickness for ferroelectricity in perovskite ultrathin films

The integration of ferroelectric oxide films into microelectronic devices, combined with the size reduction constraints imposed by the semiconductor industry, have revived interest in the old question concerning the possible existence of a critical thickness for ferroelectricity. Current experimental techniques have allowed the detection of ferroelectricity in perovskite films down to a thickness of 40 A (ten unit cells), ref. 3. Recent atomistic simulations have confirmed the possibility of retaining the ferroelectric ground state at ultralow thicknesses, and suggest the absence of a critical size. Here we report first-principles calculations on a realistic ferroelectric-electrode interface. We show that, contrary to current thought, BaTiO3 thin films between two metallic SrRuO3 electrodes in short circuit lose their ferroelectric properties below a critical thickness of about six unit cells (approximately 24 A). A depolarizing electrostatic field, caused by dipoles at the ferroelectric-metal interfaces, is the reason for the disappearance of the ferroelectric instability. Our results suggest the existence of a lower limit for the thickness of useful ferroelectric layers in electronic devices.     

温度梯度铁电薄膜的极化偏移特性研究

采用平均场近似下的横场伊辛模型理论,同时考虑了遂穿频率与温度的相互关系,重点研究了BaTiO3温度梯度铁电薄膜的极化偏移特性.研究表明:量子起伏效应对于温度梯度铁电薄膜的性质有重要的影响,在低温区量子起伏效应尤其显著；温度梯度的存在导致了薄膜内部的极化强度的梯度分布；对于下温度梯度铁电薄膜来说,当量子起伏效应达到足够强时,可以改变极化梯度和极化偏移的方向.     

钛酸铋系铁电薄膜的制备及研究进展

随着薄膜制备技术以及微电子集成技术的发展,钛酸铋系铁电材料在非易失性铁电随机存储器的应用方面已经展现了极其诱人的发展前景.介绍了无铅钛酸铋系铁电薄膜的研究现状,对目前钛酸铋薄膜最常用的几种主要的制备方法进行了评述,指出了钛酸铋研究中亟待解决的几个问题.     

表面活性剂浓度对介孔氧化硅薄膜结构和性能的影响研究

报道了一种新型纳米多孔氧化硅薄膜的制备方法，并详细探讨了表面活性剂浓度对介孔氧化硅薄膜结构和性能的影响。以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为模板剂．正硅酸乙酯为硅源，盐酸为催化剂，采用溶胶-凝胶技术，通过提拉法制备了二氧化硅透明介孔薄膜。用红外光谱、小角XRD、原子力显微镜对样品进行了表征，并采用椭偏仪和阻抗分析仪测量薄膜的折射率和介电常数。该薄膜具有很低的介电常数和较好的机械强度，是一种可用于微电子工业的极富应用前景的低介电常数材料。     

非理想表面层对一级相变铁电薄膜性质的影响

应用Ginzburg-Landau-Devonshire(GLD) 理论研究了 非理想表面对夹持在两个金属电极间的一级铁电薄膜性质的影响. 结果表明, 非理想表面层的存在降低了一级铁电薄膜的铁电相变转变温度, 当两个表面层不对称时, 铁电薄膜的电滞回线失去了中心对称性.     

Mg掺杂Ba（Zr0．25Ti0．75）O3薄膜的介电调谐性能

采用溶胶凝胶工艺,在Pt／Ti／SiO2／Si衬底制备了Mg掺杂Ba（Zr0．25Ti0．75）O3（BZT）薄膜．利用X射线衍射（XRD）和原子力显微镜（AFM）分析测定了物相微结构和薄膜表面形貌,研究了Mg掺杂含量对BZT微结构和介电调谐性能的影响．结果表明Mg掺杂BZT使薄膜表面粗糙度、晶粒尺寸、介电常量、介电损耗和调谐量都降低;5mol％Mg掺杂BZT薄膜有最大的优值因子为16．3,其介电常数、介电损耗和调谐量分别为289．5、0．016和26．8％．     

薄膜改性中的紫外线辅助热处理

紫外线辅助热处理是一种较为先进的薄膜改性技术,它把紫外线光能和热处理结合起来,来改变薄膜的结构,提高薄膜的性能;文章主要介绍了它在应力薄膜和低k薄膜2个特定方面的应用。