微乳液法制备PbTiO3纳米晶及其性能研究

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铁电存储器具有非易失、抗干扰、抗辐射等优异的存储特性,被认为是最具有吸引力的存储器件之一。为了实现高密度铁电存储,铁电电容器的小型化成为另一个重要课题,铁电纳米晶的制备不可或缺。另一方面,铁电材料的性能表现出明显的尺寸效应,研究铁电纳米晶或铁电薄膜的电学性能随尺寸的变化,及其与衬底界面性质、应变、晶体结构等微结构参数之间的关系具有重要意义。本文的研究工作包括两个方面:(一)采用反相微乳液自组装法制备了单分散的钛酸铅纳米晶,并初步研究了其电学性能;(二)采用化学溶液沉积法制备了不同厚度的掺钕钛酸铋薄膜,研究了厚度和铁电极化保持特性的关系。取得主要成果如下:1.采用苯乙烯和4-乙烯吡啶的嵌段共聚物(PS-b-P4VP)为微反应器在导电硅衬底上大面积制备了大小均一的PbTiO3(PTO)纳米晶。PTO纳米晶的高度为8-12nm,直径为80-100nm。研究了PS-b-P4VP溶液浓度、PTO反相微乳液静置时间、退火温度和衬底对PTO纳米晶形貌的影响。结果表明溶液浓度和衬底平整度对PTO纳米晶形貌有重要影响,对硅基衬底而言最佳PS-b-P4VP质量百分数为0.1%和0.085%。退火温度对PTO纳米晶形貌基本没有影响。2.对导电硅衬底上550、600和6500C退火的PTO纳米晶进行了X射线衍射、X射线光电子能谱、压电力显微(PFM)和导电原子力(CAFM)表征。结果表明不同温度退火的样品表面铅和钛元素分别呈+2价和+4价,纳米晶都具有铁电性。PFM实验表明在+/-8V电压下6500C退火的PTO纳米晶的电极化可以被翻转到反平行的的两个方向,但是极化向上的电畴不能保持。CAFM在单个PTO纳米晶上的测试表明样品具有明显的双极型阻变现象,其阻态由PTO纳米晶的极化态调控:极化向下时样品呈现高阻态,极化向上时为低阻态。3.采用化学溶液法制备了不同厚度的Bi3.15Nd0.85Ti3O12(BNdT)铁电薄膜,通过PFM在微观上研究了薄膜厚度对BNdT保持性能的影响。结果表明极化方向指向衬底的电畴在厚度小于180nm的薄膜中不稳定,但是极化方向指向样品表面的电畴在所有样品中都很稳定。这和内建电场导致反向畴的成核有关。除此之外,极化电压大小对单层BNdT的极化保持性能有重要影响,极化脉冲振幅越大其保持性能越好。
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