论文部分内容阅读
作为单相多铁材料的原型,BiFeO3(BFO)具有优异的电学、磁学和磁电性能,在传感器、驱动器、存储器、压电微机电系统(MEMS)等许多现代技术中有很好的应用前景。BFO膜具有较大的剩余极化强度(Pr)和较低的介电常数(εr),从而具有优越的本征压电性能,这是容易被人们忽视的优点之一。此外,BFO具有较高的居里温度和较大的矫顽电场,这样的优点使得BFO在应用设备中具有良好的稳定性。因此,在压电MEMS领域,作为能量收集器和能量转换器的关键部件,BFO膜具有很好的应用前景。然而,为了保证良好的结晶质量,从而达到接近本征的性能,BFO膜通常采用较高的制备或加工温度。在高温过程中,由于挥发性Bi2O3的损失引起的缺陷扩散以及与Si基半导体技术的不兼容性,阻碍了基于BFO膜的压电MEMS器件的发展。针对上述问题,本工作采用射频磁控溅射系统,探究在低温(350℃)下沉积出结晶良好、缺陷减少的高质量BFO膜的制备工艺,并采用一系列检测手段对制备出的BFO膜进行结构表征与性能分析,结果表明本工作在降低BFO膜制备温度的同时保证了其优良的性能。具体的研究内容及结果可概括为以下几个方面:(1)在350℃的低温下,采用射频磁控溅射技术在Si/SiO2基底上成功制备带有Pt/Ti底电极、LNO缓冲层的BFO膜,观察到其性能随时间退化的老化现象并研究其原因。研究发现:低温制备的BFO膜在块体及界面区域存在较多的氧空位或缺陷对,它们引起的非本征极化使得初期测量的极化强度(Ps～100μC/cm2)存在虚高的假象,而充分老化后的稳定极化强度(Ps～55μC/cm2)则降低了～45%之多。(2)在上述(1)的基础上,增加了保温工艺,优化了保温条件,研究了保温时间、气氛、气压对性能提升的作用。研究发现:在纯氧气氛中保温,增加保温时间,提高氧气气压,能够促进BFO结晶,逐步减小界面及块体缺陷,从而克服上述(1)中的老化问题,获得了稳定极化强度(Ps～80-90 μC/cm2)提升-60%的优质BFO膜。(3)对优化的BFO膜进行结构与性能的表征,尤其针对实际应用,对其压电性能的抗老化、耐疲劳等性能进行表征。研究发现:优化后的BFO膜为(100)择优取向的三方相结构,具有稳定的铁电及压电性能,其压电系数e31,f达到500℃制备的PZT膜和650℃制备的BFO膜的～80%,克服了压电性能随制备温度降低而急速下降的趋势。在1.2×106次循环测试之后,其e31,f仅表现出及其微小的变化(<2.5%)。并且在与其它无铅材料(ZnO、KNN等)的比较中,本工作BFO膜具有最大的能量效率与信噪比。这些结果意味着本工作优化的BFO膜有着良好的应用前景。(4)在与(2)相同的工艺条件下,分别在300℃、350℃、500℃、650℃制备BFO膜,系统地研究了制备温度、结构形貌、化学价态和电学性能之间的关系。研究发现:制备温度会影响BFO膜的结晶程度、晶体取向、晶粒大小以及表面和界面形貌。在温度高于350℃时,随制备温度的升高,晶粒变大、表面粗糙度增加、表面缺陷增多、界面扩散严重,致使BFO膜的电滞回线矩形度变差、介电损耗和漏电流增大、压电系数(e31,f)和品质因子(FOM)降低。因此,本文的工艺参数适用于BFO膜的低温制备。