论文部分内容阅读
现代工业和国民经济的发展对高性能功能材料和器件的需求与日俱增,其研发在国民经济、高科技领域中占据越来越重要的地位。铁电薄膜材料具有良好的铁电、压电、光电及非线性光学等特性,可广泛应用于微电子、光电子、集成光学、太阳能等领域,是目前高新技术研究的前沿和热点之一。本文工作采用不同方法构架了Pb(Zr0.4Ti0.6)03(PZT)、(Na0.5Bi0.5)Ti03(NBT)和 BiFe03(BFO)钙钛矿铁电薄膜异质结,研究了铁电薄膜异质结的结构、电学性能和光学性能。1、在LaA103(LAO)基片上,通过引入2 nm Ti3Al超薄缓冲层/模板,构架了外延SRO/PZT/SrRu03(SRO)/Ti3Al/LAO 异质结,研究了 Ti3Al 缓冲层的引入对SRO/PZT/SRO的结构和性能的影响。研究发现超薄Ti3Al层极大地提高了SRO/PZT/SRO异质结的外延质量。相对于直接外延在LAO上而言,PZT(002)的衍射峰增强,全宽半高由0.972°降为0.911°。X射线衍射和透射电子显微镜的研究发现超薄Ti3Al缓冲层有效降低了 PZT薄膜内的刃型位错密度NE,NE由3.83×1010/cm2减小为3.10×1010/cm2。SRO/PZT/SRO异质结的剩余极化强度2Pr由122.1 μC/cm2增大到136.7 μC/cm2,但是矫顽电压2Vc由2.9 V减小到2.6 V,矫顽电压的减小有利于小功耗铁电器件的制备。铁电光伏效应研究发现:Ti3Al层引入提高了短路电流Jsc、开路电压Voc和转换效率,归因于PZT薄膜极化强度的增强。PZT薄膜的极化反转可以调控开路电压Voc和短路电流Jsc。Jsc随光强增加而线性增大,而Voc随光强增加先线性减小后趋于定值0.27 V。2、采用磁控溅射法,在SrTi03(STO)基片上构架了(00l)取向外延钙钛矿结构BFO/La0.5Sr0.5Co03(LSCO)/STO异质结。X射线光电子能谱研究发现BFO薄膜中的铁元素以Fe3+价态存在。Pt/BFO/LSCO异质结表现出I-V阻变存储特征,机制为载流子在界面势阱中的填充和脱陷。Pt/BFO/LSCO异质结光伏效应可受外场极化调控。随着温度的增加,V。。线性减小。光伏效应调控与BFO厚度密切相关,随着厚度增加,主导机制呈现出由界面势垒主导向铁电极化主导的转变规律。3、采用磁控和脉冲激光沉积法,构架了 NBT/LSCO/STO异质结,研究了异质结的结构和性能。研究发现:650℃最佳温度下制备的NBT薄膜为高质量的(00l)外延结构。LSCO/NBT/LSCO异质结电容器具有小的矫顽场47 kV/cm,相对大的剩余极化强度15.6 μC/cm2,有效压电系数d33为145 pm/V。研究了取向对Pt/NBT/LSCO的影响规律,结果发现(111)、(110)和(001)NBT 薄膜的 2Pr 分别为 87.5μC/cm2、62.6μC/cm2和28.5 μC/cm2,(111)取向具有最佳的铁电性能。光学性能研究表明:光电效应极化调控与NBT薄膜取向密切相关,调控强度(111)NBT>(110)NBT>(001)NBT。4、采用磁控与脉冲激光共溅射方法,在STO衬底上制备了 BFO体积分数为3:25的BFO:NBT(200 nm)外延复合薄膜。XRD和AFM的研究发现:BFO的复合,增大了NBT薄膜C轴晶格常数和晶粒尺度,减小了表面粗糙程度。电学性能研究表明:BFO的引入提高了 NBT的铁电性能,Pr增加了 20.6 μC/cm2。BFO:NBT薄膜具有更大的有效储能密度Wrec=44.0 J/cm3,为NBT薄膜的1.8倍,且Wrec具有良好的热稳定性和小的频率依赖性。光学性能研究发现:BFO:NBT薄膜具有外场极化调控的光电效应,Voc和Jsc分别为Voc=-0.44 V和Jsc=10.8 μA/cm2,与NBT薄膜比较,Voc增加了 0.25 V。