弛豫铁电体基陶瓷薄膜的溶胶-凝胶制备和电性能研究

采用溶胶-凝胶工艺成功地制备了纯钙钛矿结构的Pb(Mg1/3Nb2/3)0.65Ti0.35O3(简称PMNT)弛豫型铁电陶瓷薄膜,分析了溶胶先驱体中铅含量对PMNT薄膜钙钛矿结构稳定性的影响规律,表明热退火过程的氧化铅气氛层覆盖技术对获得纯钙钛矿结构PMNT薄膜材料至关重要,系统测试了纯钙钛矿PMNT薄膜材料的铁电和介电性能,提出弛豫型铁电PMNT陶瓷薄膜制备中晶粒自由结晶和异常生长动力学机制.     

掺杂对BiFeO3薄膜电、磁特性影响综述

随着科技的高速发展,多铁性材料已经成为传感器、微波器件、数据存储、自旋电子学及太阳能电池等领域的研究热点,在智能材料与器件方向显示出可观的应用潜力。BiFeO_3及其衍生的一系列材料Bi_(1-x)AxFeO_3(A=La,Nd,Sm)、BiFe_x B_(1-x)O_3(B=Ni,Mn,Co)的发现使得多铁性材料获得了更迅猛的发展。这类材料属于单相钙钛矿氧化物型多铁材料,在室温以上同时具有铁电、压电、介电、电光、铁磁、光伏、磁电耦合、光催化等效应。BiFeO_3作为一种单相多铁性材料,与同类的多铁性材料相比,其具有较高的居里温度、尼尔温度以及较小的光学禁带宽度和较好的化学稳定性等特点。然而,在制备BiFeO_3的过程中,部分Fe~(3+)向Fe~(2+)转变,并且铋元素熔点较低容易挥发,产生大量的氧空位,造成漏电流较大,很难得到具有较高剩余极化强度的样品;并且BFO薄膜室温下弱的磁性等性质使其实际应用受到极大的限制。多年来国内外学者致力于改善制备条件和参数,使用更先进的制备方法,改用更合适的衬底材料及进行离子掺杂等,以制备多层复合薄膜。其中,离子掺杂对减小漏电流,提高铁电性及室温磁性方面的效果最为理想。各国研究者已经制备出比纯BiFeO_3材料性能更好的掺杂和复合BiFeO_3材料。在不同的位置掺杂多种元素较掺杂单一元素能更好地改善材料的性能。最新报道的采用溶胶-凝胶法制备的多个混合掺杂离子Bi_(0.88)Sr_(0.03)Gd_(0.09)Fe_(0.94)Mn_(0.04)Co_(0.02)O_3薄膜的剩余极化强度增加到108μC/cm~2,显著高于La、Mn、Zn等元素单掺杂得到的极化强度(69.47μC/cm2)。同时,掺杂BiFeO_3薄膜的磁化强度比纯BiFeO_3薄膜提高了3～4倍。这可能是源于:掺杂离子抑制Bi3+的挥发和Fe3+的还原,减小氧空位和缺陷浓度,从而减小漏电流,进一步改善BiFeO_3薄膜的铁电性能;掺杂离子也会导致结构的畸变而打破其螺旋磁结构,从而产生较强的室温磁性。本文首先简单介绍了BiFeO_3材料的结构及其掺杂元素的种类,然后讨论了A位、B位和AB位共掺杂离子对提高BiFeO_3薄膜弱的室温磁性以及减小漏电流、提高铁电性产生的影响,并进一步分析了产生影响的原因,最后提出了未来研究工作的方向。     

共沉淀时间对BiFeO_3粉体制备及陶瓷性能的影响

控制Bi与Fe摩尔比为Bi:Fe=1.03:1,在其它实验条件不变的情况下,研究共沉淀时间对前驱体的制备及其陶瓷块材性能的影响。结果表明,共沉淀时间为95 h时得到纯相BiFeO_3粉体且粒度分布均匀;采用放电等离子烧结(spark plasma sintering,SPS)的方法制备出高密度BiFeO_3(相对密度98.3%)陶瓷块材并测试了它们的介电性能和铁电性能。结果表明在频率为30 MHz时,样品介电常数ε'最大为106.5,介电损耗tanδ最小为0.006,并在室温下检测到了饱和的电滞回线,饱和极化强度为0.4μC/cm2。     

锆钛酸铅铁电薄膜的制备及性能研究

本文用无机锆盐代替锆的醇盐，研究了溶胶－凝胶技术制备锆钛酸铅（简称ＰＺＴ）铁电薄膜的热处理工艺、结构和电性能。研究结果表明，在Ｓｉ单晶基片上制备的ＰＺＴ薄膜为钙钛矿型结构的陶瓷薄膜，其晶粒细小、致密，且具有良好的铁电性能，适合于制备铁电存贮器。     

外延BiFeO_3多铁性纳米岛的化学自组织法制备及其表征

采用化学自组织方法在SrTiO_3(100)及Nb-掺杂SrTiO_3(100)单晶衬底上制备了外延BiFeO_3纳米岛,并利用X射线衍射、扫描电子显微镜和原子力显微镜对纳米岛的相结构及形貌进行了表征.结果表明,在650～800℃下后退火1h可获得外延的BiFeO_3纳米岛,岛横向尺寸在50～150 nm之间,纵向尺寸在6～12 nm之间.随着纳米岛后退火温度的升高,其(100)面内的几何形貌由三角形状转向四边形状,然后再趋向于长棒状.利用压电力显微镜,对单个BiFeO_3纳米岛(横向尺寸～50 nm,高度12 nm)的铁电特性进行表征.结果表明,单个外延BiFeO_3纳米岛内存在分形铁电畴和自偏压极化现象,其中自偏压极化现象来源于外延BiFeO_3纳米岛与SrTiO_3单晶衬底之间的界面应力.     

铅过量PLZT铁电薄膜的制备及其电学性质研究

采用Sol Gel法 ,在Pt TiO2 Si基片上制备了具有不同铅过量 (0— 2 0mol% )的PLZT铁电薄膜。分析了薄膜的晶相结构 ,研究了铅过量对PLZT铁电薄膜的介电性能和铁电性能的影响。结果表明 ,各薄膜均具有钙钛矿型结构 ,且各薄膜均呈 (110 )择优取向。PLZT铁电薄膜的介电性能和铁电性能随铅过量的变化而改变。铅过量为 10mol%的薄膜具有最佳的的介电性能和铁电性能。     

结构设计对铁电薄膜系统电滞回线的影响

为制备符合Si集成铁电器件要求的高质量Si基铁电薄膜，采用溶胶—凝胶(sol—gel)工艺，制备了MFM及MFS结构的铁电薄膜系统，研究了不同结构及不同衬底对铁电薄膜系统铁电性能及电滞回线的影响，并对这些差异产生的主要影响因素进行了分析，在此基础上，提出并制备了Ag／Pb(Zr0.52Ti0.48)O3／Bi4Ti3O12／p—Si多层结构，该结构铁电薄膜系统的铁电性能及电滞回线的对称性有明显改善，有望应用于Si集成铁电器件。     

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.     

退火温度对BiFeO_3薄膜结构和表面特性的影响

为了确定BiFeO_3薄膜最佳的退火温度,利用溶胶凝胶法在Si衬底上制备了BiFeO_3薄膜,通过XRD、SEM和Raman等测试手段研究了不同退火温度(0,600,700,800℃)对BiFeO_3样品的薄膜结构和表面形貌的影响。结果表明,经过退火后的BiFeO_3薄膜呈现正交相与六方相共存的结构,随着退火温度升高,样品开始结晶,但过高的退火温度将导致样品出现杂相。同时,适当的退火温度可减小BiFeO_3薄膜表面的孔洞和空隙,提高材料的平整度,随着温度进一步提高,薄膜表面出现气泡,材料的平整度变差。另外,经过退火处理的样品具有较强的拉曼振动峰,但温度的升高将引起Raman特征峰发生红移。上述结果证实了利用溶胶-凝胶法制备的BiFeO_3薄膜的最佳退火温度为600℃,该实验结果为改善BiFeO_3的物相结构和表面特性提供了一种新的技术思路与途径。     

铅过量PLZT铁电薄膜的制备及其电学性质研究

采用Sol-Gel法,在Pt/TiO2／Si基片上制备了具有不同铅过量（0－20mol%)的PLZT铁电薄膜。分析了薄膜的晶相结构,研究了铅过量对PLZT铁电薄膜的介电性能和铁电性能的影响。结果表明,各薄膜均具有钙钛矿型结构,且各薄膜均呈（110）择优取向。PLZT铁电薄膜的介电性能和铁电性能随铅过量的变化而改变。铅过量为10mol%的薄膜具有最佳的介电性能和铁电性能。     

用于非制冷热释电红外探测器的 PZT铁电薄膜研究

采用溶胶-凝胶和射频磁控溅射相结合的方法制备了PZT铁电薄膜．用溶胶-凝胶法制备一层PZT薄膜作为籽晶层,在衬底PZT(seed layer)／Pt／Ti／SiO2／Si上用射频磁控溅射过量10％Pb的Pb(ZrxTi1-x)O3(x=0．3)陶瓷靶生长厚500nm的PZT铁电薄膜．采用在450℃预退火,575℃后退火的快速分级退火方法对PZT铁电薄膜进行热处理．PZT铁电薄膜获得了较好的热释电性能,热释电系数、介电常数、介电损耗和探测度优值因子分别为P=2．3×10-8C·cm-2·K-1,ε=500,tanδ=0．02,Fd=0．94×10-5Pa-0.5．     

MOD法制备的Pb0.985La0.01(Zr0.4Ti0.6)O3

采用金属有机分解法(MOD)在LNO(100)／Si衬底上制备了Pb0．985La0．01(Zr0．4Ti0.6)O3铁电薄膜，在薄膜的快速退火过程中，增加了一个中间温度预退火过程，并研究了该过程对薄膜晶型结构和铁电性能的影响．结果发现，中间温度预退火过程可以影响薄膜对晶型结构的选择．没有中间温度预退火过程的薄膜，显示出(100)择优取向；而经中间温度预退火的薄膜则表现为随机取向．对薄膜铁电性能的研究表明，没有中间温度预退火过程的薄膜的铁电性能较差，经380℃预退火的薄膜显示出最佳的铁电性能．晶型结构取向和缺陷是影响PLZT。薄膜铁电性能的两个主要因素．     

溶胶-凝胶法制备铁酸铋纳米颗粒及催化性能研究

采用溶胶-凝胶法制备了BiFeO_3粉体,通过XRD和SEM对BiFeO_3粉体进行表征,探索了煅烧温度和煅烧时间对铁酸铋粉体结构和形貌的影响规律,制得高质量的纯相样品。研究了BiFeO_3对罗丹明B的光催化降解行为,结果表明,随着溶液pH降低,BiFeO_3光催化效率明显提高。此外,还分析了光降解机理,考察了BiFeO_3粉体在H_2O2协同作用下对罗丹明B的催化降解效应,结果证实这主要是一种芬顿效应引起的。     

(Bi_(0.8)La_(0.2)FeO_3)_(0.8)-(NiFe_2O_4)_(0.2)材料的合成及薄膜多铁性能

研究了Bi0.8La0.2FeO3单相陶瓷的合成,并采用脉冲激光沉积法,在SrTiO3(100)(STO)基底上,以La0.7Sr0.3MnO3(LSMO)为缓冲层,制备了(Bi0.8La0.2FeO3)0.8-(NiFe2O4)0.2(BLFO-NFO)多铁薄膜。通过X射线衍射仪和场发射扫描电子显微镜确定了BLFO-NFO多铁薄膜的显微结构,通过标准铁电测试系统(RT-66A)和振动样品磁强计(VSM)分别测试了BLFO-NFO多铁薄膜的铁电性能和铁磁性能。研究发现:BLFO-NFO多铁薄膜沿(100)方向外延生长,晶粒为70nm,它具有明显的电滞回线和磁滞回线。     

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.     

高性能BaTiO_3/PVDF介电复合材料及其薄膜电容器应用

选用柔性高分子材料聚偏氟乙烯（PVDF）作为基体,纳米钛酸钡陶瓷（BaTiO3）作为填充相,采用简单的溶液共混以及流延工艺制备BaTiO3/PVDF薄膜。通过SEM观察了复合材料体系的微观结构,研究了BaTiO3/PVDF介电复合材料的介电性能。把所制备的BaTiO3/PVDF复合材料薄膜（70mm×30mm×25μm...     

钛酸铅陶瓷的快速制备及电性能研究

针对传统的Slo-gel法制备钛酸铅铁电陶瓷水解速率慢、烧结温度高、制备周期长等不足，首次采用在溶胶中直接加甲醇水溶液水解和新鲜凝胶直接烧结的方法，实现了钛酸铅纳米晶的快速合成。用TEM观察了钛酸铅纳米晶的形貌和尺寸，用XRD法测定了钛酸铅纳米晶的结构，并制得纯度高、致密性好的钛酸铅纳米陶瓷，对其介电、铁电和热释电性能进行了初步研究。研究表明，用改进的Sol-gel法制备的钛酸铅陶瓷仍保持其优良的介电性能和铁电性能。     

Ag/Bi3.25La0.75Ti3O12/Bi4Ti3O12/Si结构铁电薄膜制备及其铁电性能的研究

利用溶胶-凝胶(sol-gel)方法,在硅基底上制备了Bi3.25La0.75Ti3O12/Bi4Ti3O12/Si铁电薄膜,其中Bi4Ti3O12作为缓冲层.用XRD方法分析了该结构铁电薄膜的物相结构;用扫描电镜对薄膜样品进行表面形貌观察;并且对该结构的铁电性能进行了研究.     

陶瓷粉末靶与陶瓷块状靶溅射制备PZT薄膜的性能比较

介绍了RF溅射冷压法制备的PZT陶瓷粉末靶和块状靶制取PZT薄膜的过程。二种方法避开了热压法制作PZT陶瓷块状靶的复杂工艺及昂贵设备,均能获得化学成分稳定的钙钛矿结构PZT铁电薄膜;用粉末靶制取的薄膜的热处理温度比块状靶低200℃;用块状靶制取的薄膜具有清晰的晶粒,较好的化学配比、电性能及高的密度;用粉末靶未见有明显的晶粒,存在玻璃质,其化学配比与源材料相比有较大差异,电性能也略为逊色。     

激光脉冲外延生长Pb(Zr0.52Ti0.48)O3薄膜及其特性研究

利用激光脉冲法在LaAlO3衬底上沉积制备LaNiO3薄膜作为底电极并外延生长(100) Pb(Zr0.52Ti0.48)O3铁电薄膜,系统研究了生长温度对PZT外延结构和电学特性的影响.研究发现当生长温度高于550℃时即可得到外延(100)PZT薄膜.在对所制备的PZT薄膜的结构和性能测试表明,650℃下生长的PZT薄膜外延性最佳,并且表现出优异的介电和铁电性能,介电常数ε、剩余极化Pr和矫顽场Ec分别为900、26.5 μC/cm2和52.1kV/cm.试验还证实这种外延PZT薄膜具有优良的抗疲劳特性,可用于铁电存储器的制备中去.