锆钛酸铅薄膜的铁电疲劳微观机理及其耐疲劳性增强

铁电随机存储器(ferroelectric random access memory,FeRAM)因其卓越的数据存储性能与非易失性存储特性等优势而备受关注,但其自身固有的铁电疲劳失效问题制约了 FeRAM进一步的发展和商业化应用.FeRAM的疲劳失效与铁电薄膜的畴壁运动密切相关,但其内在疲劳机理仍有待深入研究.本文采用基于密度泛函理论(density functional theory,DFT)的第一性原理计算方法,研究了锆钛酸铅(Pb(Zr_(0.52)Ti_(0.48))O_3,PZT)的疲劳失效机理并提出了增强其耐疲劳性能的方法.计算结果表明:PZT中氧空位与180°畴壁运动的耦合是其铁电疲劳的内在原因,PZT铁电薄膜中越靠近畴壁的地方越容易形成氧空位,畴壁处大量氧空位对畴壁运动的"钉扎"作用使畴壁迁移困难,抑制了其极化反转最终导致了铁电疲劳;Ba(Mg_(1/)3Nb_(2/3))O_3 (BMN)缓冲层的存在可吸收PZT中的氧空位,降低畴壁处的氧空位浓度,提升其耐疲劳性能.实验结果表明,经过10~(10)次极化反转后,PZT铁电薄膜的剩余极化值降低了 51%,而PZT/BMN薄膜的剩余极化值仅降低了 18%;经过10~(12)次极化反转后,PZT/BMN薄膜的剩余极化值仍保持有82%并持续稳定.以上结果表明,BMN缓冲层引入确实能提高PZT铁电薄膜的耐疲劳性,有望满足FeRAM商业化应用的需求.     

外加电场对铁电薄膜相变的影响

采用热力学非线性理论,研究了外加电场对立方基底Pb(Zr_0.3Ti_0.7)O₃(PZT)铁电薄膜相变的影响.通过数值计算,得到了"失配应变-外加电场"相图,及外加电场与极化强度的关系.当外加电场达到186 kV/cm时,能使生长在SrTiO₃ 基底上PZT铁电薄膜从单斜r相转变为c相.在实验上,采用扫描探针显微镜通过对PZT薄膜施加不同的极化电场来研究了它的电畴翻转.从得到的压电响应相图可以看出,绝大多数的电畴是清晰可 关键词： 铁电薄膜 相变 扫描探针显微镜 失配应变     

微结构对Eu掺杂Bi4Ti3O12铁电薄膜铁电性能的影响

采用金属有机物分解法在Pt/Ti/Si(111)基底上制备了退火温度分别为600℃,650℃,700℃的Bi_3.15Eu_0.85Ti₃O₁₂(BET)铁电薄膜,并对其结构及铁电性能进行了测试,再使用扫描探针显微镜对BET薄膜的电畴翻转进行了实时观测.BET薄膜c畴发生180°畴变的最小电压为+6V,而r畴由于其高四方性,即使极化电压增至+12V也不会发生翻转.薄膜的铁电性主要源于c畴的极化,随着退火温度的升高,c畴的区域面积增加,BET薄膜的剩余极化强度随之增大.退火温度为700℃的BET薄膜剩余极化强度达到84μC/cm². 关键词： 铁电薄膜 电畴翻转 扫描探针显微镜     

PNZST:AlN复合陶瓷局域应力场增强热释电性能机理

通过两步固相反应烧结法制备了(1-x)Pb_0.99Nb_0.02[(Zr_0.57Sn_0.43)_0.94Ti_0.06]_0.98O₃:xAlN ((1-x)PNZST:xAlN,x=0,0.1,0.2,0.3,0.4))复合陶瓷,系统研究了复合陶瓷晶体结构、微观形貌、畴结构演变以及铁电、介电和热释电性能等.实验结果表明:基于两相之间热膨胀系数失配产生的局域应力场有效调控了畴结构组态和相结构演变,在室温附近构建了铁电/反铁电相界,继而在温度场作用下表现出优异的热释电性能;当x=0.1时,在近人体温度37℃时其热释电系数p达到最大值3.30×10^-3 C/(m²·K),电流响应优值F_i=3.16×10^-9 m/V,电压响应优值F_v=0.613 m²/C,探测率优值F_d=4...     

外延PbZr_(0.2)Ti_(0.8)O_3薄膜负电容的应变调控

为了让摩尔定律能够延续下去,降低功耗是很多研究者关注的问题,铁电负电容效应的发现为其提供了一种解决方案.应变工程作为调控铁电薄膜物理性能的有效手段已经被广泛研究.但是应变对铁电负电容调控的相关机理并不清楚.本文通过Landau-Khalatnikov方程模拟了应变场和温度场对PbZr_(0.2)Ti_(0.8)O_3铁电薄膜负电容的影响.研究表明,瞬态负电容的产生伴随着极化的翻转,在一定温度下压应变有助于铁电负电容的稳定,而在张应变下铁电极化翻转较快,负电容效应持续时间较短.但是,增加的压应变会导致对应的矫顽电压增大,需要更大的外电压才能使极化翻转,从而产生负电容.此外,在恒定的应变下,温度越低,负电容效应越显著.本工作对未来负电容微纳器件的设计具有一定的指导意义.     

1-3型纳米多铁复合薄膜中电场诱导的磁化研究

运用Landau-Devonshire热力学唯像理论,考虑铁电相和铁磁相的电致伸缩、磁致伸缩效应以及产生于铁电/铁磁和薄膜/基底界面的弹性应力作用,两次重整介电和磁作用系数得到了这种多铁系统在Landau自由能函数下的本征二次方磁电耦合形式,从而研究了外延1-3型纳米多铁复合薄膜中极化、磁化随薄膜厚度、温度的变化以及该薄膜中外加电场诱导的磁化变化.结果表明薄膜平面内的应压力的弛豫使得磁化强度和极化强度随薄膜厚度的增加而减少,外加电场不仅能诱导铁电相极化场翻转,而且由于铁电和铁磁相界面竖直方向的弹性耦合导致 关键词： 多铁 磁电效应 磁致伸缩 薄膜     

La调节Pb(Zr,Sn,Ti)O_3反铁电陶瓷的相变与电学性质

利用X射线衍射、弱场介电温度谱、强场极化强度研究了不同La含量(Pb1-xLa2x3)(Zr06Sn03Ti01)O3(000≤x≤012)(PLZSnT)陶瓷的相变与电学特性.实验发现,随La含量增大,室温下材料由铁电三方相(x=000)转变为反铁电四方相(003≤x≤009)和立方相(x=012).介电测试表明,La含量增大,反铁电→顺电相变温度降低,峰值介电常量减小.在x=006的PLZSnT三元相图中,反铁电四方相区扩大到Ti含量约为18at%,该系统反铁电陶瓷具有“窄、斜”型双电滞回线和“三电滞回线”;在高Zr、高Sn区,反铁电→顺电相变呈现弥散相变和介电频率色散特征,即反铁电极化弛豫现象.从ABO3钙钛矿结构的容忍因子(t)和反铁电相的结构特征出发,讨论了La对Pb(Zr,Sn,Ti)O3相变与电学性质的影响机理 关键词： 场诱相变 弛豫型反铁电体 介电性能 La调节Pb(Zr Sn Ti)O3     

Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_3-PbTiO_3/CoFe_2O_4复合薄膜电学、磁学性能的研究

利用射频磁控溅射技术在LaNiO_3/SiO_2/Si基底上制备了Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_3-PbTiO_3/CoFe_2O_4和Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_3-Pb TiO_3/Co Fe_2O_4/Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_3-PbTiO_3两种复合薄膜.我们采取了三种退火条件对复合薄膜进行退火处理,研究两种复合薄膜的晶体结构、电学和磁学性能.通过对两种复合薄膜的结构的分析,发现两步法退火后得到复合薄膜同时存在纯钙钛矿相和尖晶石相两种结构.铁电性能测试表明,两种复合薄膜均具有较好的铁电性能,其中三层复合薄膜的剩余极化强度Pr最大可以达到14.9μC/cm2,这要归因于多层复合薄膜内部的应力-应变效应和界面耦合效应.在电场强度为80 k V/cm的漏电流密度数量级仅10-5A/cm2,其导电机制在高电场区满足Schottky机制.介频性能测试表明:复合薄膜的介频特性较差,双层复合薄膜的介电性能较好,其介电常数εr为1078,其介电损耗tgδ较大,约为0.43.此外,对复合薄膜的磁滞回线测试表明:两种复合薄膜中均存在磁学性能,且双层结构复合薄膜的铁磁性能较大,其饱和磁化强度Ms为119 emu/cm3,剩余磁化强度Mr达到31.6 emu/cm3,矫顽场Hc为1360 Oe.以上测试结果表明,铁电有序和磁有序可以存在于钙钛矿-尖晶石结构当中,通过多层复合和合适退火方式可以增强其铁电和介电性能.     

PZT铁电薄膜纳米尺度畴结构的扫描力显微术研究

利用扫描力显微术中压电响应模式原位研究了（111）择优取向的PZT60/40铁电薄膜的纳米尺度畴结构及其极化反转行为.铁电畴图像复杂的畴衬度与晶粒中的畴排列和晶粒的取向密切相关.直接观察到极化反转期间所形成的小至30nm宽的台阶结构，该台阶结构揭示了（111）取向的PZT60/40铁电薄膜在极化反转期间其畴成核与生长机理主要表现为铁电畴的纵向生长机理. 关键词： 畴结构 反转机理 PZT薄膜 扫描力显微术     

反铁电陶瓷的研究和应用

反铁电陶瓷是电子陶瓷中初露头角尚不为人们所十分熟悉的一类新型陶瓷介质.反铁电陶瓷以其新颖的电滞回线与铁电陶瓷相区别(图1).大家知道,铁电陶瓷的特点是具有很高的介电系数 ε(ε峰值可达 104),并且ε与温度t和场强E呈非线性关系,因而在制作小型高介电容和非线性电容方面广泛应用.但铁电陶瓷最大弱点是容易介电饱和,一般当场强超过0.2kV/mm时,ε随E增加而下降.铁电陶瓷介质损耗很大,且剩余极化Pr值很大,一般不宜用作储能介质.反铁电陶瓷ε值与铁电陶瓷相近,ε与t和E亦有一段强非线性关系,这是与铁电陶瓷共同之处.但反铁电陶瓷的最大优…     

(111)取向(Pb,La)TiO3铁电薄膜中90°纳米带状畴与热释电性能的研究

采用射频磁控溅射技术在Pt/Ti/SiO₂/Si(100)衬底上生长了掺镧钛酸铅(PLT)铁电薄膜.用X射线衍射技术(XRD)研究了PLT薄膜结晶性能，结果表明PLT薄膜为 (111)择优取向钙钛矿相织构.使用原子力显微镜(AFM)和压电响应力显微镜(PFM) 分别观察了PLT薄膜的表面形貌和对应区域的电畴结构.PFM观察显示PLT薄膜中存在90°纳米带状畴，电畴的极化为首尾相接的低能量的排列方式，带状畴的宽度为20—60nm.研究了PLT10铁电薄膜的制备条件与性能之间的关系.发现在优化条件下制备的PLT10铁电薄膜的介电常数ε_r为365、介电损耗tgδ为0.02，热释电系数γ为2.18×10^-8C·(cm²·K)^-1，可以满足制备非制冷红外探测器的需要. 关键词： PLT薄膜 电畴 PFM 极化     

(Pb0.97La0.02)(Zr0.65Sn0.35-xTi x)O3反铁电陶瓷的热膨胀性质

在-100—200℃温度范围内，测量了(Pb_0.97La_0.02)(Zr_{0.65< /sub>Sn0.35-xTix)O3(PZST，0.1≤x≤0.14)反铁电陶 瓷的热膨胀性质.实验结果表明，组分在0.1 ≤x≤0.12的试样室温下为反铁电(AFEt)四方相，热膨胀系数(α)在低温段发生 “弯曲” ，而变温x射线衍射谱(XRD)显示材料保持四方相结构；当Ti含量在0.125≤x≤0.14时，室温 下是铁电三方相(FER)，温度升高时FER→AFEt相变体 积收缩，AFEt→立方顺电(PE c)相变体积增大；变温XRD谱证明了材料相结构随温度的转变过程.用多元复杂 化合物存在 纳米线度组分非均匀的观点解释了热膨胀性质随Ti含量演化的物理机理，并得到了该系统的 温度-Ti(x)含量相图. 关键词： 热膨胀性质 铁电/反铁电相界 反铁电陶瓷 PZST}     

(1–x)K_(0.5)Na_(0.5)NbO_3-xBi(Mg_(0.5)Ti_(0.5))O_3无铅弛豫铁电陶瓷的介电、铁电和高储能行为

利用传统固相法制备了(1–x)K_(0.5)Na_(0.5)NbO_3-xBi(Mg_(0.5)Ti_(0.5))O_3(简写:(1–x)KNN-x BMT, x=0.05, 0.10,0.15, 0.20)无铅弛豫铁电陶瓷,并对其相结构、微观形貌、介电特性与储能行为进行了系统的研究.研究结果表明,随着BMT含量的增加,(1–x)KNN-x BMT陶瓷由正常铁电体逐渐转变为弛豫铁电体,表现出强烈的弥散相变特征,其最大极化强度P_(max)随之逐渐降低.当x=0.15时,陶瓷具有最大的击穿电场,为275 kV·cm~(–1).采用间接方式对(1–x)KNN-x BMT陶瓷的储能性能进行计算,发现当BMT的含量为x=0.15时,可获得最佳的储能性能:当场强为275 kV·cm~(–1)时,可释放储能密度Wrec为2.25 J·cm~(–3),储能效率h高达84%.鉴于实际应用的需求,对各组分陶瓷进行直接测试,结果表明随掺杂量的增加,储能密度Wdis呈现先增大后减小的变化趋势,当x=0.15时,储能密度为1.54 J·cm~(–3),放电时间仅为88 ns.另外,该材料在1—50 Hz范围内具有良好的频率稳定性,在25—125℃范围内具有良好的温度稳定性,储能密度的变化量低于8%.该研究表明KNN-BMT陶瓷在环境友好高储能密度电容器领域具有广阔的应用前景.     

锆钛比为50/50的PZT陶瓷极化前后的X射线研究

铁电陶瓷在极化及使用过程中有畴结构的变化。这种变化对材料宏观性能有直接影响.本文提出了一种从x 射线强度变化来定量地测定四方铁电相中90°畴转向率的简便方法. 只要正确地测定出未极化状态的强度I_200_与I_002_之比以及极化状态相应的比值, 就可以直接求得极化过程90°畴转向的百分比. 公式推导过程考虑了结构因素及可能存在的择优取向.用上述方法对锆钛比为50 / 50 的PZT 陶瓷在不同极化条件下90°畴的转向率作了计算, 所得的结果与宏观性能变化平行. 与过去用测量形变进行间接换算的方法作了比较. 文中还讨论了用x 射线线形变宽方法来测定极化前后的内应力问题. 关键词：     

多孔未极化Pb(Zr0.95Ti0.05)O3铁电陶瓷单轴压缩力学响应与相变

通过添加造孔剂的方法制备了四种不同孔隙率未极化PZT95/5铁电陶瓷. 采用非接触式的数字散斑相关性分析(digital image correltation, DIC)全场应变光学测量技术, 对多孔未极化PZT95/5 铁电陶瓷开展了单轴压缩实验研究, 讨论了孔隙率对未极化PZT95/5铁电陶瓷的力学响应与畴变、相变行为的影响. 多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷的单轴压缩应力-应变关系呈现出类似于泡沫或蜂窝材料的三阶段变形特征, 其变形机理主要归因于畴变和相变的共同作用, 与微孔洞塌缩过程无关. 多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷的弹性模量、压缩强度都随着孔隙率的增加而明显降低, 而孔隙率对断裂应变的影响较小. 预制的微孔洞没有改善未极化PZT95/5铁电陶瓷材料的韧性, 这是因为单轴压缩下未极化PZT95/5铁电陶瓷的断裂机理是轴向劈裂破坏, 微孔洞对劈裂裂纹传播没有起到阻碍和分叉作用. 准静态单轴压缩下多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷畴变和相变开始的临界应力都随着孔隙率的增大而呈线性衰减, 但相变开始的临界体积应变却不依赖孔隙率.     

稀土发光铁电薄膜的研究进展

稀土掺杂是提高光电功能材料性能的重要途径.把稀土掺杂铁电材料与稀土发光相结合,还可拓展出铁电材料的新性能,比如,选择合适的稀土元素掺入钛酸铋铁电材料,可使之在保持较好的铁电性能的同时,又显示良好的发光性能.近年来,这类在氧化物铁电材料中由于稀土离子掺杂产生光致发光特性的研究引起了人们的关注,有望研制集成发光铁电器件.本文简要介绍了稀土发光铁电材料的研究状况,重点介绍我们在稀土发光铁电薄膜方向的研究进展.我们的研究表明,稀土掺杂钛酸铋铁电薄膜同时具有较好的发光特性和铁电特性,这与其独特的成分构成和层状钙钛矿结构密切相关; Eu3+离子荧光结构探针可以为进一步研究Eu~(3+)掺杂铁电薄膜材料的结构与性能关系提供新思路;在某些铁电薄膜(如Pr离子掺杂的x(K_(1/2)Bi_(1/2))TiO_3-(1-x)(Na_(1/2)Bi_(1/2))TiO_3薄膜等)中掺入稀土离子后,稀土离子的发光可用于检测铁电薄膜中是否存在准同型相界;将ZnO纳米材料和金、银纳米颗粒与掺铕钛酸铋薄膜复合,可显著增强稀土发光.     

(111)取向(Pb,La)TiO3铁电薄膜中90°纳米带状畴与热释电性能的研究

采用射频磁控溅射技术在Pt/Ti/SiO2/Si(100)衬底上生长了掺镧钛酸铅(PLT)铁电薄膜.用X射线衍射技术(XRD)研究了PLT薄膜结晶性能,结果表明PLT薄膜为(111)择优取向钙钛矿相织构.使用原子力显微镜(AFM)和压电响应力显微镜(PFM)分别观察了PLT薄膜的表面形貌和对应区域的电畴结构.PFM观察显示PLT薄膜中存在90°纳米带状畴,电畴的极化为首尾相接的低能量的排列方式,带状畴的宽度为20-60nm.研究了PLT10铁电薄膜的制备条件与性能之间的关系.发现在优化条件下制备的PLT10铁电薄膜的介电常数εr为365、介电损耗tgδ为0.02,热释电系数γ为2.18×10-8C·(cm2·K)-1,可以满足制备非制冷红外探测器的需要.     

Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3/CoFe2O4复合薄膜 电学、磁学性能的研究

利用射频磁控溅射技术在LaNiO3/SiO2/Si基底上制备了Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3/CoFe2O4和Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3/CoFe2O4/Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3两种复合薄膜.我们采取了三种退火条件对复合薄膜进行退火处理,研究两种复合薄膜的晶体结构、电学和磁学性能.通过对两种复合薄膜的结构的分析,发现两步法退火后得到复合薄膜同时存在纯钙钛矿相和尖晶石相两种结构.铁电性能测试表明:两种复合薄膜均具有较好的铁电性能,其中三层复合薄膜的剩余极化强度Pr最大可以达到14.9 μC/cm2,这要归因于多层复合薄膜内部的应力-应变效应和界面耦合效应.在电场强度为80kV/cm的漏电流密度数量级仅10-5A/cm2,其导电机制在高电场区满足Schottky机制.介频性能测试表明:复合薄膜的介频特性较差,双层复合薄膜的介电性能较好,其介电常数εr为1078,其介电损耗tgδ较大,约为0.43.此外,对复合薄膜的磁滞回线测试表明:两种复合薄膜中均存在磁学性能,且双层结构复合薄膜的铁磁性能较大,其饱和磁化强度Ms为119 emu/cm3,剩余磁化强度Mr达到31.6 emu/cm3,矫顽场Hc为1360 Oe. 以上测试结果表明,铁电有序和磁有序可以存在于钙钛矿-尖晶石结构当中,通过多层复合和合适退火方式可以增强其铁电和介电性能.     

铋层化合物Sr1+xBi4-xTi4-xTaxO15(x=0—1)陶瓷的介电和铁电特性

研究了铋层化合物Sr1+xBi4-xTi4-xTaxO15(x=0—1)陶瓷的介电和铁电特性.研究发现随着x值的增大,材料的居里点由540℃降到30℃左右,但材料始终具有铁电性.对于SrBi4Ti4O15陶瓷施加120kVcm的电场仍无法得到饱和的回线,此时的剩余极化和矫顽场分别约为7μCcm2和73kVcm.对于x=04—05的材料由于它们同时具有较高的居里温度300℃—360℃,较大的剩余极化7—8μCcm2和较小的矫顽场37—47kVcm,因此是一类性能较为优良的铁电材料. 关键词： 居里温度 剩余极化 矫顽场     

Mo掺杂SrBi4Ti4O15陶瓷的铁电介电性能

用传统的固相烧结工艺,制备了钼掺杂铁电陶瓷样品SrBi4Ti4O15(SBTi)铁电陶瓷SrBi4-2x/3Ti4-xMoxO15(x=0.00,0.003,0.012,0.03,0.06,0.09).X射线衍射的结果表明,样品均为单一的层状钙钛矿结构相,Mo掺杂未改变SBTi的晶体结构.通过扫描电子显微镜观测发现,样品晶粒为片状,随掺杂量的增加,晶粒逐渐变小.铁电测量表明,Mo掺杂使SBTi的铁电性能得到较大改善.随掺杂量x的增加,样品的剩余极化(2Pr)呈现出先增大,后减小的规律.在x=0.06时,2Pr达到最大值26.5 μC/cm2,与SrBi4TiO15(2Pr=12.2 μC/cm2)相比,提高117%.材料的矫顽场Ec在掺杂后增加仅为20%左右.SBTi的居里温度受掺杂的影响甚微,说明Mo对SrBi4Ti4O15的掺杂基本未影响材料原有的良好的热稳定性.