铋基类钙钛矿铁电材料的合成及性质研究铋基类钙钛矿铁电材料的合成及性质研究【摘要】：近年来,铋基类钙钛矿铁电材料是铁电和固态电解质材料应用领域备受关注的功能材料之一,其应用研究已成为固态电子学领域的研究热点它的高居里温度、低介电常数、良好的抗疲劳性、高氧离子导电率和环境友好,在铁电存储器和中低温固态氧化物燃料电池(SOFC)等应用上具有潜在的发展前景但是,满足器件用的铋基类钙钛矿材料还面临若干问题,例如,铋基铁电薄膜的各向异性和结构稳定性问题,电解质材料满足器件集成的制备工艺和热稳定问题等本论文以钒酸铋(Bi_2VO_(5.5),BVO)及其金属掺杂材料为研究对象,针对以上问题研究了 BVO 体系铁电薄膜和 Bi_2ME_(0.1)V_(0.9)O_(5.5-δ)(BIMEVOX.10)电解质材料的制备及性能主要研究结果如下:(1)采用化学溶液沉积(CSD)法,分别在 LaNiO_3(LNO)/Si(100)、Pt/TiO_2/SiO_2/Si(100)衬底上制备了 c 轴取向的高质量 BVO 薄膜并对 CSD 工艺做了改进,用钒无机盐替代最初采用的乙酰丙酮氧钒,成功解决了金属醇盐价格昂贵且不易保存的问题。
深入研究了不同退火温度对 BVO 薄膜性能的影响700℃退火后的 BVO 薄膜显示出最优的性能,具有高度 c 轴取向,剩余极化和漏电流密度提高到10.62μC/cm~2 和 1.92×10~(-8)A/cm~2分析了 260-480K 温度范围的介电特性,发现 BVO 薄膜中存在的多分散弛豫由氧空位等缺陷引起,传导机制主要为氧空位传导2)研究了 BVO 薄膜与 p-Si(100)衬底集成所形成 MFIS(Metal-Ferroelectrics-Insulator-Semiconductor)结构的 C-V 特性,记忆窗大小约 0.5V,这为 BVO 薄膜在场效应型铁电存储器的应用提供了优化的工艺条件采用椭偏光谱获得了 BVO 薄膜的光学常数,有助于开发其光学特性上的应用3)首次用 CSD 法合成了具有良好铁电特性的混合铋基类钙钛矿铁电薄膜 Bi_2VO_(5.5)-Bi_4Ti_3O_(12),薄膜剩余极化 2P_r 提高到 12.46μC/cm~2,漏电流密度为 1.17×10~(-8)A/cm~2为提高 BVO 材料的铁电特性提供了新技术途径4)首次系统研究了不同比例 La 掺杂对 BVO 薄膜介电特性的影响。
La 掺杂使 BVO 薄膜的介电常数、介电损耗增加,在少量掺杂(0.025 摩尔比)时表现最明显其机理在于低浓度的 La 会先进行V 位替换,La~(3+)和 V~(5+)间的非等价替代及原子半径间的巨大相差,引起晶格体积膨胀和晶格扭曲的结构重排,引发氧空位 V_o~¨等缺陷,造成介电常数、介电损耗的增加和弛豫程度的显著增强5)用CSD 法成功制备了 BIMEVOX.10(ME=Ti,Co,Fe,Ni,Mn)薄膜,研究了其结构和电学特性重点讨论了 BIMNVOX.10 薄膜在 300-485K 温度范围的电特性,研究表明 BIMNVOX.10 薄膜的介电弛豫可能是由氧空位的短程扩散传导引起,属于多分散性弛豫发现 BIMNVOX.10薄膜具有室温弱铁磁特性6)深入研究了 BIMEVOX 体系电解质材料中具有最高电导率的 Bi_2Cu_(0.1)V_(0.9)O_(5.35)(BICUVOX.10)粉体和薄膜材料的制备和特性采用化学溶液法制备了BICUVOX.10 纳米粉末,比常规固相法的合成温度降低了～300℃研究了 PEG4000 表面活性剂、制备方法和粉末分散性间的联系发现 PEG4000 能有效改变纳米颗粒的团聚现象,其添加量和制备方法有关。
利用反向滴定沉淀法获得了平均粒径为 20nm 的产物,PEG4000的添加量约 5wt%这一结果为获得分散性良好的 BIMEVOX 纳米粉末提供了工艺途径在 LNO/Si(100)上生长了高质量的 c 轴择优取向 BICUVOX.10 薄膜,300-620K 的中低温范围样品具有高氧离子导电性和良好的热稳定性,氧空位激活能为 0.3eV,600K 下的氧离子电导率为 5×10~(-2)S·cm~(-1)7)首次研究了 BVO 和BIMEVOX.10(ME=Mn,Fe,Co)粉体的磁性,发现该系列材料均表现出室温铁磁特性经过渡金属离子掺杂后,BVO 铁磁性变强,其中 Mn掺杂表现最明显BVO 和 BIMNVOX.10 的剩余磁化,饱和磁化和矫顽场分别为 2.11,4.67memu/g;3.33,11.02memu/g 和0.02,0.04kOe;BIMNVOX.10 的居里温度为 279℃另外,从理论上分析得出室温铁磁特性主要是由氧空位所引起;掺杂离子 d 态电子自旋引起不成对电子对自旋态重新分布,是造成磁性大小改变的主要因素关键词】：钒酸铋化学溶液沉积法电学特性【学位授予单位】：华东师范大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2010【分类号】：TM221【目录】：摘要 6-8Abstract8-11 目录 11-16 第一章绪论 16-341.1铋基类钙钛矿铁电材料概述 16-221.1.1 铋基类钙钛矿铁电材料结构和特点 17-181.1.2 铋基类钙钛矿铁电薄膜材料的制备方法 18-201.1.3铋基类钙钛矿铁电材料的研究概况 20-221.2Bi_2VO_(5.5)(BVO)体系材料概述 22-311.2.1Bi_2VO_(5.5)(BVO)材料的结构、特性与研究状况 22-241.2.2Bi_2ME_xV_(1-x)O_(5.5-δ)(BIMEVOX)的结构、特性与研究状况 24-251.2.3Bi_2VO(5.5)(BVO)体系材料主要应用及制备方法 25-261.2.4Bi_2VO_(5.5)(BVO)体系材料的性能测试方法 26-311.3本论文的选题背景和主要研究内容 31-34 第二章 Bi_2VO_(5.5)薄膜的合成与特性研究 34-622.1 引言 34-352.2 实验过程 35-362.2.1 样品的制备 35-362.2.2 样品性能测试 362.3LNO/Si(100)衬底上的 BVO 薄膜特性 36-442.3.1XRD 分析 36-372.3.2 微观形貌特性 37-382.3.3 铁电特性 38-392.3.4 电流-电压(I-V)特性 39-402.3.5 介电特性 40-422.3.6交流电导特性 42-432.3.7 复阻抗特性 432.3.8X 射线光电子能谱(XPS)分析 43-442.4Pt/TiO_2/SiO_2/Si(100)衬底的 BVO 薄膜特性 44-562.4.1XRD 分析 452.4.2 微观形貌特性 45-462.4.3 铁电特性 46-472.4.4电容-电压(C-V)特性 47-482.4.5 电流-电压(I-V)特性 48-502.4.6 介电特性 50-522.4.7 交流电导特性 52-542.4.8 复阻抗特性 54-562.5p-Si(100)衬底的 BVO 薄膜特性 56-602.5.1 微结构特性 572.5.2 电容-电压(C-V)特性 57-582.5.3 椭圆偏振光谱分析 58-602.6 本章小结 60-62第三章混合铋基类钙钛矿 Bi_4Ti_3O_(12)-Bi_2VO_(5.5)薄膜的制备和特性研究 62-723.1 引言 623.2 实验过程 623.3 性能测试 62-633.4结果分析 63-703.4.1XRD 分析 63-643.4.2 铁电特性 64-653.4.3 疲劳特性 65-673.4.4 电流-电压(I-V)特性 67-683.4.5 电容-电压(C-V)特性 68-693.4.6 介电特性 69-703.4.7 交流电导和复阻抗特性 703.5 本章小结70-72 第四章 Bi_(2-x)La_xVO_(5.5)薄膜的制备与特性研究 72-824.1引言 724.2 样品制备 72-734.3 性能测试 734.4 结果分析 73-814.4.1 微观结构特性 73-754.4.2 拉曼光谱分析 75-764.4.3 介电特性 76-804.4.4交流电导特性 80-814.5 本章小结 81-82 第五章BIMEVOX.10(ME=Ti,Co,Fe,Ni,Mn)薄膜的制备与特性研究 82-1005.1引言 82-835.2 实验过程 835.2.1 样品的制备 835.2.2 样品性能的测试835.3BIMEVOX.10(ME=Ti,Co,Fe,Ni)薄膜特性 83-905.3.1 微观结构特性 83-855.3.2 介电特性 85-865.3.3 电流-电压(I-V)特性 86-895.3.4 复阻抗特性 895.3.5 交流电导特性 89-905.4BIMNVOX.10 薄膜特性 90-995.4.1 结构特性 90-915.4.2 电流-电压(I-V)特性 91-925.4.3 介电特性92-935.4.4 电模特性 93-955.4.5 复阻抗特性 95-965.4.6 交流电导特性96-985.4.7 磁特性 98-995.5 本章小结 99-100 第六章 BICUVOX.10 纳米材料的制备与特性研究 100-1246.1 引言 100-1016.2 纳米颗粒材料的团聚和分散性 101-1026.2.1 纳米颗粒材料团聚产生原因 1016.2.2纳米颗粒材料的分散 101-1026.3 实验部分 102-1056.3.1 主要原料1026.3.2BICUVOX.10 纳米粉体材料的制备过程 102-1056.3.3BICUVOX.10 薄膜样品的制备过程 1056.3.4 性能测试1056.4BICUVOX.10 粉末样品结果分析 105-1166.4.1Sol-gel(SG)法制备的 BICUVOX.10 粉末样品特性分析 105-1086.4.2EC 法制备的BICUVOX.10 粉末样品特性分析 108-1116.4.3RP 法制备的BICUVOX.10 粉末样品特性分析 111-1156.4.4BICUVOX.10 粉末样品分散性研究 115-1166.5BICUVOX.10 薄膜样品结果分析 116-1226.5.1XRD 结果分析 1166.5.2XPS 结果分析 116-1176.5.3 微观形貌特性 117-1186.5.4 介电特性 118-1196.5.5 电流-电压(I-V)特性 119-1206.5.6 交流电导特性 120-1216.5.7 电导率—温度特性 121-1226.6本章小结 122-124 第七章 BVO 和 BIMEVOX.10(ME=Mn,Fe,Co)的磁性研究 124-1307.1 引言 1247.2 实验过程 124-1257.3 性能测试 1257.4结果分析 125-1297.4.1XRD 分析 125-1267.4.2 磁性分析 126-1297.5本章小结 129-130 第八章总结与展望 130-1348.1 总结 130-1328.2 展望 132-134 攻读博士期间发表的论文 134-136 参考文献 136-158 致谢158 本论文购买请联系页眉网站。
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