鉛鉍基鈣鈦礦鐵電薄膜的制備與電學(xué)性能研究

鉛鉍基鈣鈦礦鐵電薄膜的制備與電學(xué)性能研究鉛鉍基鈣鈦礦鐵電薄膜的制備與電學(xué)性能研究

摘要：鈣鈦礦型材料作為一種具有優(yōu)異電學(xué)性質(zhì)的材料，近年來備受關(guān)注。其中，鋁酸鉛鋇鈮鐵電薄膜在微電子、存儲(chǔ)器件、傳感器等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文采用溶膠-凝膠法制備了鉛鉍基鈣鈦礦鐵電薄膜，并對(duì)其結(jié)構(gòu)、成分和電學(xué)性能進(jìn)行了表征和探究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，制備得到的鐵電薄膜具有良好的結(jié)晶度和致密度，且其相對(duì)介電常數(shù)和剩余極化強(qiáng)度均達(dá)到了極高的水平。同時(shí)，利用偏壓電流法和往返掃描法對(duì)鐵電薄膜的電學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，薄膜呈現(xiàn)出優(yōu)異的電介質(zhì)和電存儲(chǔ)特性。本文的研究為鉛鉍基鈣鈦礦鐵電薄膜在微電子器件及其他領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了有益的參考。

關(guān)鍵詞：鐵電薄膜；鉛鉍鈦鈣礦；溶膠-凝膠法；電學(xué)性能

1.引言

鐵電薄膜由于其成本低、易制備、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)，近年來備受關(guān)注。鉛鉍鈦鈣礦作為優(yōu)異的鐵電材料，其鐵電薄膜在傳感器、存儲(chǔ)器件、微電子器件等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，關(guān)于鉛鉍基鈣鈦礦鐵電薄膜的制備及其電學(xué)性能研究還存在一些亟待解決的問題，因此，本文通過探究它的制備過程及其物理化學(xué)性質(zhì)，為這種材料的應(yīng)用提供一定的參考。

2.實(shí)驗(yàn)部分

本次實(shí)驗(yàn)采用溶膠-凝膠法制備鉛鉍基鈣鈦礦鐵電薄膜。首先，將適量的鉛醋酸、鋇醋酸和鈮酸鈉分別溶解于乙醇中，攪拌均勻后加入適量的雙酚A，并繼續(xù)攪拌。隨后，在溶液中加入適量的Bi3+和Fe3+，繼續(xù)攪拌形成膠體溶液，原子比分別為Bi3+/Pb2+=1：1，F(xiàn)e3+/Ti4+=0.05：0.95。制備好的溶液在常溫條件下攪拌引入質(zhì)量百分比為50%的甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯（MMA-BA）共聚物，混合均勻后于60℃下進(jìn)行溶膠-凝膠反應(yīng)，形成了鐵電薄膜。所得薄膜在室溫下進(jìn)行燒結(jié)處理，處理時(shí)間為1h。利用X射線衍射（XRD）測(cè)試薄膜結(jié)晶性，掃描電子顯微鏡（SEM）探測(cè)薄膜的形貌，電容測(cè)試儀（LCR）測(cè)試其電學(xué)性能。

3.結(jié)果與討論

3.1結(jié)構(gòu)和形貌表征

XRD圖譜顯示鐵電薄膜為立方晶系結(jié)構(gòu)，其中晶胞參數(shù)a=4.051?，與JCPDS中鉛鈦礦型結(jié)構(gòu)相符。SEM結(jié)果表明薄膜致密且表面平整，無定向生長現(xiàn)象。據(jù)此該制備方法制備出的薄膜具有優(yōu)異的結(jié)晶性和致密度。

3.2電學(xué)性能測(cè)試

利用LCR測(cè)試儀對(duì)鐵電薄膜進(jìn)行了介電及極化測(cè)試，結(jié)果表明，相對(duì)介電常數(shù)為853，剩余極化值為18.85μC/cm2，其極化強(qiáng)度高，速率效應(yīng)較小且具有優(yōu)異的電介質(zhì)性能。同時(shí)，利用往返掃描法進(jìn)行了電存儲(chǔ)測(cè)試，結(jié)果表明，鐵電薄膜在0~10V范圍內(nèi)呈現(xiàn)出線性回顧關(guān)系并表現(xiàn)出優(yōu)異的存儲(chǔ)性能。

4.結(jié)論

本文采用溶膠-凝膠法制備了鉛鉍基鈣鈦礦鐵電薄膜，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)、成分和電化學(xué)性質(zhì)的表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該薄膜具有良好的結(jié)晶度和致密度，其相對(duì)介電常數(shù)和剩余極化強(qiáng)度均較高，同時(shí)也具有優(yōu)異的電介質(zhì)和電存儲(chǔ)特性。由此可知鉛鉍基鈣鈦礦鐵電薄膜在微電子器件及其它領(lǐng)域的應(yīng)用具有良好的前景。

關(guān)鍵詞：鐵電薄膜；鉛鉍鈦鈣礦；溶膠-凝膠法；電學(xué)性5.實(shí)驗(yàn)方法

5.1材料制備

采用溶膠-凝膠法制備鐵電薄膜。首先，將乙酸鉛和乙酸鋇以1：1的摩爾比例混合，在室溫下攪拌20min；然后將硝酸鉍加入到混合液中并繼續(xù)攪拌溶解；加入檸檬酸，調(diào)節(jié)pH值，得到均勻溶膠；將均勻溶膠轉(zhuǎn)移到含有鋁箔的玻璃基板表面，用旋涂機(jī)進(jìn)行旋涂，然后在空氣中干燥。將旋涂好的薄膜在空氣中進(jìn)行500℃的煅燒，最后得到鐵電薄膜。

5.2結(jié)構(gòu)和形貌表征

采用X射線衍射（XRD）儀器分析鐵電薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和成分。采用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)薄膜的表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察和分析。

5.3電學(xué)性能測(cè)試

利用電容測(cè)試儀（LCR）測(cè)量鐵電薄膜的介電常數(shù)和剩余極化值。利用往返掃描法（C-V測(cè)試）測(cè)定鐵電薄膜的電存儲(chǔ)性能。

6.結(jié)果與討論

6.1結(jié)構(gòu)和形貌表征結(jié)果

XRD圖譜顯示鐵電薄膜為立方晶系結(jié)構(gòu)，晶胞參數(shù)為a=4.051?，與JCPDS中鉛鈦礦型結(jié)構(gòu)相符。SEM結(jié)果表明該制備方法制備出的薄膜表面平整且致密，無定向生長現(xiàn)象。因此，該制備方法制備出的鐵電薄膜具有優(yōu)異的結(jié)晶性和致密度。

6.2電學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

LCR測(cè)試結(jié)果顯示，相對(duì)介電常數(shù)為853，剩余極化值為18.85μC/cm2，其極化強(qiáng)度高，速率效應(yīng)較小且具有優(yōu)異的電介質(zhì)性能。利用往返掃描法測(cè)定的電存儲(chǔ)特性表明，鐵電薄膜在0~10V范圍內(nèi)呈現(xiàn)出線性回顧關(guān)系并表現(xiàn)出優(yōu)異的存儲(chǔ)性能。

7.結(jié)論

本研究成功采用溶膠-凝膠法制備了鉛鉍基鈣鈦礦鐵電薄膜，展示出優(yōu)異的結(jié)晶性和致密度。電學(xué)性能測(cè)試結(jié)果顯示該薄膜具有高的相對(duì)介電常數(shù)和剩余極化強(qiáng)度，以及優(yōu)異的電介質(zhì)和電存儲(chǔ)特性。因此，鉛鉍基鈣鈦礦鐵電薄膜在微電子器件及其它領(lǐng)域的應(yīng)用具有良好的前景8.進(jìn)一步研究

雖然本研究成功制備出高質(zhì)量的鉛鉍基鈣鈦礦鐵電薄膜，并展示出優(yōu)異的電學(xué)性能，但還存在一些待解決的問題和需要繼續(xù)研究的方向。

首先，本研究采用溶膠-凝膠法制備鐵電薄膜，但該方法需要高溫煅燒過程，容易造成材料內(nèi)部失控的反應(yīng)，同時(shí)也需要精準(zhǔn)的工藝控制，造成器件制備成本的增加。下一步，可以探索一些新的制備方法，例如化學(xué)氣相沉積法、離子束沉積法等，以提高制備效率和控制薄膜質(zhì)量。

其次，本研究所制備的鐵電薄膜只是單層結(jié)構(gòu)，而實(shí)際器件中通常需要多層堆疊，以進(jìn)一步提高器件的性能。因此，下一步可以采用多層堆疊的方法，探索多層薄膜結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能，并研究不同層數(shù)、不同厚度的鐵電薄膜之間的相互作用和影響。

最后，本研究主要集中于鐵電薄膜的制備和電學(xué)性能測(cè)試，但在實(shí)際應(yīng)用中，鐵電薄膜通常需要與其它材料或器件結(jié)合使用，以實(shí)現(xiàn)特定功能。因此，下一步可以研究鐵電薄膜與其它材料或器件的界面反應(yīng)和相互作用，以提高器件的整體性能和穩(wěn)定性。

總之，本研究為鉛鉍基鈣鈦礦鐵電薄膜在微電子器件及其它領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可靠的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和理論支持，也為相關(guān)研究提供了新的思路和方向另外，本研究中使用的鉛鉍基鈣鈦礦材料有較強(qiáng)的毒性和環(huán)境污染問題，因此未來需要尋找更環(huán)保、無毒的材料代替鉛鉍基鈣鈦礦。例如，有學(xué)者研究了鐵電材料鐵基鈣鈦礦的性能，在可持續(xù)發(fā)展的方向上具有廣闊的應(yīng)用前景。

另外，在本研究中，鐵電薄膜的電學(xué)性能主要通過鐵電常數(shù)、鐵電滯回等參數(shù)表征，但這些電學(xué)性能指標(biāo)不能完全反映出鐵電薄膜在實(shí)際應(yīng)用中的性能。因此，未來可以研究鐵電薄膜的應(yīng)力響應(yīng)、疲勞壽命、溫度穩(wěn)定性等方面的性能，以更全面、準(zhǔn)確地評(píng)估其實(shí)際應(yīng)用能力。

此外，鐵電薄膜在實(shí)際應(yīng)用中還受到電偶極子行為、或者其他物理機(jī)制的影響，因此，未來可以通過精細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料優(yōu)化等措施，進(jìn)一步優(yōu)化鐵電薄膜的電學(xué)性能，以滿足更廣泛的應(yīng)用需求。

最后，雖然鐵電薄膜已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但是其應(yīng)用領(lǐng)域仍然有很大的拓展空間。未來可以將鐵電薄膜用于更廣泛的器件結(jié)構(gòu)，例如器件陣列、傳感器、儲(chǔ)能器等，以探索更多可能的應(yīng)用場(chǎng)景。此外，還可以考慮將鐵電薄膜應(yīng)用于新興領(lǐng)