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基于MFS结构铁电器件的需要,以五氯化铌、硝酸铋、钛酸丁酯等为基础原料,采用溶胶-凝胶工艺(Sol-Gel)制备了硅基(p-Si)钛酸铋(Bi4Ti3O12)及其B位掺杂铌元素的钛酸铋铌Bi4Ti3-xNbxO12+x/2(BTN,x=0.015、0.03、0.045、0.06、0.075)系列铁电薄膜,通过两者的对比,研究了退火工艺和铌离子掺杂对Bi4Ti3O12铁电薄膜微观结构、铁电和介电性能的影响规律与机理,为探索高质量、低成本Si基铁电薄膜制备工艺提供有效途径。 通过X射线衍射、扫描电镜等微观分析手段和铁电参数测试仪、低频阻抗分析仪等铁电、介电测试仪器,研究了退火工艺和掺铌量对BTN薄膜生长取向、相结构、晶粒尺寸、表面形貌、剩余极化、矫顽电场、介电常数、介电损耗、电容-电压(C-V)特性等的影响,成功制备出表面平整无裂纹,晶粒均匀,无焦碌石相或其它杂相随机生长的BTN系列薄膜,获得了溶胶-凝胶低温、低成本制备高质量BTN铁电薄膜的工艺方法,在保持良好介电性能的前提下提高了薄膜的铁电性能。结果表明:退火温度和Nb掺杂含量是BTN结构与性能的关键影响因素。掺杂量为0.5％~2%(x=0.015、0.03、0.045、0.06、0.075)时,Bi4Ti3-xNbxO12+x/2铁电薄膜的剩余极化Pr值在14.33~19.01μC/cm2之间,矫顽场Ec值在140~220kV/cm之间,且电滞回线的矩形度较好。温度过高(高于650℃)时不利于剩余极化的提高,而温度低于550℃则不利于钙钛矿相形成和晶粒的充分生长,经650℃退火处理、掺杂量x=0.60的BTN薄膜的剩余极化Pr最大,达到19.01μC/cm2,而Ec值约为200kV/cm,与相同衬底下Bi4Ti3O12薄膜10.8μC/cm2的剩余极化相比,2%掺杂浓度的BTN-60薄膜的铁电性能有显著提高。但Nb掺杂对Bi4Ti3O12的介电性能影响不明显。650℃退火处理的掺铌量x为0.06的BTN薄膜具有较好的介电性能。Ag/BTN/p-Si结构铁电薄膜的C-V特性曲线均呈现顺时针方向的回滞,说明所制备的BTN薄膜可实现极化存储,其中Ag/BTN-60/p-Si的C-V特性记忆窗口的最大值为1.4V。