Mn掺杂NBT-BT-BFO固溶体薄膜的制备及性能研究

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铁电材料存在自发极化,拥有巨大的应用前景和潜在的市场价值。随着微电子器件的不断实用化,铁电薄膜材料及相关薄膜器件是理论和高新技术高度结合的产物,它已成为众多应用技术的基础核心技术并且得到了长足的发展。铁电薄膜材料可以根据展现性质的不同可以应用在不同种类的器件上,如储能电容器(储能性)、调谐器(介电性)等。此外,为了减少含铅材料的使用、提高社会经济发展水平,寻求新型无铅材料的任务十分迫切并且具有巨大的意义。钛酸铋钠(Na0.5Bi0.5TiO3,NBT)材料是一种ABO3型钙钛矿结构的铁电体材料。NBT被认为是铅基材料替代品的强有力竞争者之一。它具有适中且便于调控的剩余极化强度(Pr=38μC/cm2)和居里温度较高(Tc=320℃)的优异性能,在近年来被广泛研究。鉴于纯相NBT薄膜具有较高漏电流,掩盖了本身性能的体现。研究者们通过离子掺杂以及固溶添加其它组分对NBT材料进行电学性能调控。此外衬底材料的选择以及因为挥发导致的A位元素偏离化学计量也引起研究者们的关注。因此,在本论文中,便于控制薄膜均匀性的化学溶液沉积法与层层退火工艺结合使用,用于制备Mn掺杂NBT-BT-BFO薄膜,并系统探讨离子掺量,衬底材料选择和Bi化学计量偏移对该薄膜微观结构、形貌以及电学性能的影响规律。主要研究内容如下:1、选择氧化铟锡(ITO)/玻璃为衬底材料,制备不同Mn离子掺量(0 mol%、0.6 mol%、1.2 mol%、1.8 mol%)的NBT-BT-BFO薄膜。探究离子不同掺杂量对薄膜结构及电学性能的影响规律。实验表明,1.2 mol%Mn掺量的薄膜具有较低的漏电流2.31×10-8 A/cm2(150 kV/cm),较低的剩余极化值(22.34μC/cm2),较高的耐击穿强度,较高的能量存储密度(25.32 J/cm3)和能量存储效率(44.52%),同时,在100 kHz下有较高的介电常数(360)和较低的介电损耗(0.24)2、分别在ITO、镍酸镧及铂金上制备性质较好Mn掺量为1.2 mol%的固溶体薄膜,探究衬底对该薄膜结晶性及电学性能的影响规律。结果表明,铂金衬底上的固溶体基薄膜具有较低的漏电流密度8.96×10-9 A/cm2(150 kV/cm),较低的剩余极化值(7.15μC/cm2),耐击穿强度更高,较高的能量存储密度(24.68 J/cm3)和能量存储效率(63.23%)。在100 kHz下,还具有较高的介电常数(410)和较低的介电损耗(0.06)。同时,沉积在镍酸镧衬底上的薄膜展现单一(l00)方向取向。并且具有较小晶粒尺寸(29.91 nm)。3、选用在铂金衬底上性质较好Mn掺量为1.2 mol%的固溶体薄膜作为研究对象,改变其Bi元素化学计量配比(-5%、+0%、+5%和+10%),使其偏离化学计量比。结果发现,Bi化学计量+5%的固溶体基薄膜具有较低的漏电流密度和较高的能量存储效率,可以作为该类材料的优选材料。
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