微弧氧化法制备BaTiO3薄膜的微观结构分析

利用X射线衍射仪、透射电镜和能谱仪(EDS)等对采用微弧氧化技术在钛衬底上制备的钛酸钡铁电薄膜的微观结构进行了分析。结果表明,Ba(OH)2浓度为0.2 mol/L、电流密度为5A/cm2、电源频率为250 Hz、微弧氧化时间为30 min制备的薄膜以六方相、四方相的BaTiO3和非晶相为主;经过1200℃退火8 h后,薄膜中的BaTiO3以四方相为主,非晶相消失,但部分六方相仍然保留。     

微弧氧化法制备BaTiO3薄膜的结构特性

利用微弧氧化技术在钛衬底上制备了钛酸钡铁电薄膜.利用x射线(XRD)、扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)等手段研究了电流密度和电解液浓度对微弧氧化薄膜的化学成分、相组成、结构和表面形貌的影响.结果表明,随着电流密度和电解液浓度的增加,BaTiO3的形成能力增强,薄膜的致密度下降,表面粗糙度增加;当Ba(OH)2浓度为0.2 mol/l,电流密度为5 A/cm2,微弧氧化反应18 min后,可获得具有较高简单四方结构和底心正交结构BaTiO3含量的薄膜,且薄膜与衬底具有良好的结合性能.     

微弧氧化法生成四方相BaTiO3薄膜工艺研究

针对微弧氧化法生成四方相BaTiO3薄膜的工艺参数影响规律进行研究.将Ti板置于含Ba2+的电解液中在0.15～0.55mol/L和1.0～5.5A的浓度、电流区域内进行微弧氧化.实验发现微弧只在一定的浓度-电流区域中发生,可用平面图直观表示;在不同的浓度-电流区域内,薄膜具有不同的形貌,据此将浓度-电流区域图进一步划...     

微弧氧化法及其在铁电薄膜制备中的应用

介绍了微弧氧化法的基本原理和工艺过程;综述了微弧氧化法制备铁电薄膜的发展历程及最新研究进展;讨论了目前微弧氧化制备铁电薄膜过程中存在的主要问题;提出了合理选择溶液体系和溶液浓度,研究工艺参数对薄膜表面形貌和铁电、介电性能的影响,提高薄膜表面质量是促进微弧氧化制备铁电薄膜技术发展的关键。     

甘油含量对BaTiO3微弧氧化膜物相、组成及介电性能的影响

为进一步改进以Ba（OH）2为电解液的微弧氧化薄膜的性能,在Ba（OH）2溶液中加入不同含量的甘油,在工业纯钛板材（99．5％）表面微弧氧化生成了BaTiO2陶瓷膜。利用X射线衍射、扫描电镜、能谱和电容探测研究了甘油含量对陶瓷膜的物相、元素组成、表面形貌、薄膜厚度以及介电性能的影响。结果表明：不同甘油含量下制备的薄膜主要由四方相BaTi03构成;甘油的加入降低了薄膜的生长速率,改善了BaTiO2薄膜的表面形貌,提高了薄膜的介电性能;甘油添加量为2g／L时,薄膜具有较好的表面形貌和较高的介电常数。     

纳米结构铁电膜的制备和物性及微结构表征

采用脉冲激光淀积法在硅基氧化铝纳米有序孔膜版介质上(膜版孔径平均尺寸25nm,内生长Pt纳米线作为底电极一部分)制备了纳米结构的BaTiO3铁电膜(膜厚25nm),并对其铁电和介电性能以及微结构进行了表征.结果表明,BaTiO3铁电纳米膜的介电常数随着测量频率的增加(103～106Hz)从196缓慢下降到190;介电损耗在低频区域(103～105Hz)从0.005缓慢增加到0.007,而在高频率区域(105Hz)快速增加到0.013.薄膜的剩余极化强度约为5μC/cm2,矫顽场强约为680kV/cm.剖面(S)TEM像表明,BaTiO3铁电纳米膜与Pt纳米线(底电极)直接相连,它们之间的界面具有一定程度的弯曲.为兼顾氧化铝纳米有序孔膜版内的金属纳米线有序分布及BaTiO3纳米膜的结晶度,选择合适的退火温度是制备工艺中的关键因素.     

Sol-gel法制备Pb(Zr0.53Ti0.47)O3铁电薄膜

利用Sol-gel工艺在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备了Pb(Zr0.53Ti0.47)O3(PZT)薄膜,研究了退火温度、保温时间和薄膜厚度对其晶相、微观结构和铁电性能的影响.在500℃退火处理的PZT薄膜开始形成钙钛矿相;在550℃退火处理的PZT薄膜基本形成钙钛矿相结构;升高退火温度(500～850℃)、延长保温时间(30～150min)、增加薄膜厚度(120～630nm)都有利于PZT晶粒的长大.在650～750℃退火的PZT薄膜具有较好的铁电性能,保温时间对PZT薄膜的铁电性能影响不大,PZT薄膜的厚度为200～300nm时可以得到比较好的铁电性能.在退火温度750℃、保温时间30min条件下退火处理厚310nm的PZT薄膜,其剩余极化值(2Pr)和矫顽电场(2Ec)分别是72μC/cm2、158kV/cm.     

快速退火工艺条件下温度对Bi4Ti3O12铁电薄膜微观结构与性能的影响

采用快速退火工艺在Pt/Ti/SiO2/p-Si衬底上制备了Bi4Ti3O12铁电薄膜.研究了退火温度对薄膜微观结构、铁电特性及介电性能的影响.研究表明:退火温度对Si基Bi4Ti3O12铁电薄膜晶相结构的影响显著,对晶粒尺寸和表面形貌的影响较小,但退火温度超过800℃后会出现焦绿石等杂相;低于750℃时,薄膜的剩余极化随退火温度升高而增大,高于750℃时却有所减小,但矫顽电场随退火温度升高而逐渐降低;退火温度对薄膜的漏电流密度有一定的影响,薄膜的漏电流密度在200kV/cm极化电场作用下低于3×10-9A/cm2,750℃时的剩余极化和矫顽电场分别为11μC/cm2和77kV/cm,具有较好的铁电和介电性能.     

Bi4Ti3O12层状铁电薄膜的结构与性能研究

采用脉冲激光沉积法(pulsed laser deposition,PLD),通过改变气氛氧压、衬底温度等工艺参数,在商业化的Pt/TiO2/SiO2/Si衬底上制备了Bi4Ti3O12(BIT)系列薄膜.利用X射线衍射(XRD)表征了薄膜的结构特征;并采用RT2000进行铁电性能参数的测量,以此研究了工艺参数对薄膜结构和铁电性能的影响规律.分析结果表明,调整工艺参数能有效改善BIT薄膜的a轴取向度:气氛氧压越大、衬底温度越高,则薄膜的a轴取向度越高,剩余极化值也就越大.通过上述试验结果得到,在Pt/TiO2/SiO2/Si衬底上制备BIT薄膜的优化条件为氧分压35Pa、衬底温度700℃.在此优化条件下制备的BIT薄膜为a轴择优取向,剩余极化值达到7μC/cm2.     

Hf_(0.2)Zr_(0.8)O_2铁电薄膜的制备与电性能研究

采用脉冲激光沉积法(pulsed laser deposition,PLD),通过改变气氛氧压、衬底温度等工艺参数,在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备了Hf0.2Zr0.8O2(HZO)薄膜。利用X射线衍射(XRD)表征了薄膜的结构特征;并采用Radiant RT66A进行铁电性能参数的测量,以此研究了工艺参数对薄膜结构和铁电性能的影响规律。分析结果表明,HZO铁电极化的原因主要是来自于HfO2-ZrO2(111)正交相和ZrO2(002)四方相的影响。通过上述实验结果得到,在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备Hf0.2Zr0.8O2薄膜的优化条件为氧分压18 Pa、衬底温度500℃。在优化条件下制备的Hf0.2Zr0.8O2薄膜,剩余极化(2Pr)达到4μC/cm2。     

铁电体中相变临界尺寸的研究现状

从铁电薄膜和铁电颗粒两大方面回顾了处理尺寸效应的理论研究方法(包括宏观的热力学唯像理论、微观的横场Ising模型和第一性原理计算)和铁电相变临界尺寸的理论预测. 总结了从50年代以来实验中观测到的各种铁电材料的临界尺寸, 简单介绍了铁电纳米陶瓷的一些尺寸效应, 并叙述了近几年才开始报道的铁电纳米线中的铁电相变. 最后指出了目前研究现状中存在的一些问题.     

电子辐照的P(VDF/TrFE)共聚物的铁电弛豫异常现象

本文研究了聚偏氟乙烯和三氟乙烯的铁电共聚物P(VDF/TrFE)的铁电弛豫现象,并讨论了铁电弛豫异常想象.比较了VDF不同含量的共聚物在辐照前后铁电性能的改变,电子辐照大大改变了聚合物样品的性能,使VDF含量52%和70%的样品出现了明显的铁电弛豫现象,但发现在VDF含量为80%的样品中存在一种铁电弛豫异常现象:铁电居里峰随着频率的升高而向低温端移动.研究样品的二氟乙烯(VDF)的摩尔含量在52%～80%之间.     

铁电材料的研究进展

铁电材料的优秀电学性能孕育了它广阔的应用前景,其电子元件有着集成度高、能耗小、响应速度快等众多优点。而且目前研究者将铁电材料同其它技术相结合,使新诞生的集成铁电材料性能更为优秀。介绍了铁电材料的发展历史和当前的研究概况。详细描述了几种铁电材料的性能特点与研究进展,包括压电材料及在微机电系统中的应用,储能用铁电介质材料,有机铁电薄膜材料,具备2种以上初级铁性体特征的多铁材料,铁电阻变材料等。最后,总结了铁电材料研究中尚未解决的技术问题,并展望了铁电材料的发展趋势。     

FRAM用铁电薄膜疲劳问题研究进展

综述了FRAM用铁电薄膜的疲劳机理，对比了钙钛矿结构铁电体与铋层类钙钛矿结构铁电体的区别，介绍了铋层奚钙钛矿结构铁电材料的优良抗疲劳性能与该类铁电材料结构的密切关系，和为提高铋层类钙钛矿结构铁电薄膜Bi4Ti3O12的抗疲劳性能所采取的掺杂改性的研究现状，并针对目前铁电薄膜制备中存在的问题提出了今后研究需着重解决的关键问题。     

铁电体尺寸对其开关特性的影响

应用铁电体极化反转的Orihara Ishibashi理论 ,讨论了圆形铁电薄膜和球形铁电体的开关电流以及开关时间对系统尺寸的依赖性。数值计算表明 ,不论是二维还是三维铁电系统 ,其铁电畴反转过程中产生的开关电流都随系统尺寸减少而下降 ,开关时间随系统尺寸减少而缩短     

铁电薄膜中的电畴研究进展

铁电薄膜是一类重要的功能材料,铁电畴是其物理基础.综述了铁电薄膜中电畴的表征方法(高分辨透射电镜、扫描力显微镜、X射线衍射、拉曼光谱等)、类型(c畴和a畴、180°畴和90°畴等)、临界尺寸(单畴临界尺寸和铁电临界尺寸)等方面的研究进展,提出了研究中需要解决的一些问题.     

周期铁电畴压电陶瓷的制备和频谱特性研究

研究了复合结构的周期铁电畴压电陶瓷以及通过外加电场反向极化法制 备的周期铁电畴压电陶瓷的厚度切变模式. 分析了两种方法制备的周期铁电畴 压电陶瓷的频谱特性, 得出了铁电畴周期结构可以很好地抑制来源于纵向或径 向振动的高次泛音的不良影响和通过外加电场反向极化法制备小周期铁电畴提 高厚度切变模式谐振频率的方法, 从而可以通过调整周期大小制备出在一定频 率范围内呈现出具有感性的压电陶瓷.     

H/F‐Substitution‐Induced Homochirality for Designing High‐Tc Molecular Perovskite Ferroelectrics

A ferroelectric with a high phase‐transition temperature (T_c) is an indispensable condition for practical applications. Over the past decades, both strain engineering and the isotope effect have been found to effectively improve the T_c within ferroelectric material systems. However, the former strategy seems to prefer working in inorganic ferroelectric thin films, while the latter is also limited to some certain systems, such as hydrogen‐bonded ferroelectrics. It is noted that a mono‐fluorinated molecule is geometrically very similar to its parent molecule and the substitution of H by an F atom can introduce a chiral center on the molecule to template or stabilize polar structures. Significantly, the barrier of rotation of the fluorinated organic molecules is raised, resulting in a remarkable increase in T_c. Herein, by applying the molecular design strategy of H/F substitution to the organic–inorganic perovskite ferroelectric (pyrrolidinium)CdCl₃ with a low T_c of 240 K, two high‐T_c chiral perovskite ferroelectrics, (R)‐ and (S)‐3‐F‐(pyrrolidinium)CdCl₃ are successfully synthesized, for which the T_c reaches 303 K. The significant enhancement of 63 K in T_c extends the ferroelectric working temperature range to room temperature. This finding provides a new effective way to regulate the T_c in ferroelectrics and to design high‐T_c molecular ferroelectrics.     

Complementary Resistive Switching Using Metal–Ferroelectric–Metal Tunnel Junctions

Complementary resistive switching (CRS) devices are receiving attention because they can potentially solve the current‐sneak and current‐leakage problems of memory arrays based on resistive switching (RS) elements. It is shown here that a simple anti‐serial connection of two ferroelectric tunnel junctions, based on BaTiO₃, with symmetric top metallic electrodes and a common, floating bottom nanometric film electrode, constitute a CRS memory element. It allows nonvolatile storage of binary states (“1” = “HRS+LRS” and “0” = “LRS+HRS”), where HRS (LRS) indicate the high (low) resistance state of each ferroelectric tunnel junction. Remarkably, these states have an identical and large resistance in the remanent state, characteristic of CRS. Here, protocols for writing information are reported and it is shown that non‐destructive or destructive reading schemes can be chosen by selecting the appropriate reading voltage amplitude. Moreover, this dual‐tunnel device has a significantly lower power consumption than a single ferroelectric tunnel junction to perform writing/reading functions, as is experimentally demonstrated. These findings illustrate that the recent impressive development of ferroelectric tunnel junctions can be further exploited to contribute to solving critical bottlenecks in data storage and logic functions implemented using RS elements.     

铁电薄膜研究中的几个重要问题

近十多年来，铁电薄膜及集成铁电器件一直是材料科学工作者和电介质物理工作者关注和研究的热点之一。要使集成铁电器件得到更广泛的应用，还应针对铁电薄膜本身和铁电薄膜异质结构开展更深入的研究。本文针对铁电薄膜的疲劳、老化和电压漂移、电阻等特性退变，以及薄膜异质结构的表面和界面等问题，结合作者的研究工作。进行比较概括的分析，并提出一些解决问题的方法。