脉冲激光沉积方法(PLD)制备铋掺杂钛酸锶薄膜及其结构和性能研究
- 2025-08-05 23:29:11
1950年，前苏联学者Skanavi首次对铋掺杂的钛酸锶材料进行了报导，60年代中国学者朱樟震对铋掺杂钛酸锶陶瓷进行了介电性能和极化性质的研究。近十年来，多位学者对铋掺杂钛酸锶陶瓷材料进行了比较广泛而全面的研究，但是有关BixSr1-1.5xTiO3 薄膜材料的结构以及性能报导还比较少。本实验室已采用金属有机化合物热分解(MOD)法，对BixSr1-1.5xTiO3 薄膜的制备工艺以及介电性能进行了研究。本文目的旨在采用脉冲激光沉积（PLD）方法制备BixSr1-1.5xTiO3 (x=0.00，0.05，0.10)薄膜并研究其微观结构和介电性能。本文对陶瓷工艺的优化制备出了结构致密、结晶良好的陶瓷靶材，靶材的相对密度达到98％以上。在薄膜制备过程中，通过对关键参数，如沉积衬底温度、氧气压力、激光频率、退火方式的研究优化了薄膜的制备工艺条件并制备出具有良好微观形貌和介电性能的BixSr1-1.5xTiO3薄膜。本文首先以x=0.05组份为研究重点，研究了衬底温度、氧气压力、退火方式对薄膜结构和性能的影响，然后对三个不同Bi掺杂组份的薄膜的介电性能进行了研究。XRD分析结果表明在衬底温度为500℃时薄膜表现为非晶形态，薄膜在600℃开始结晶。SEM和AFM测试结果表明，衬底温度的提高的有利于晶粒的成核和生长，并且有利于薄膜表面形貌的改善，低氧压（5Pa）下薄膜的晶粒比较细小，当氧压逐渐提高，薄膜的晶粒逐渐增大，但过高的氧压（大于20 Pa）下晶粒尺寸并没有进一步的增加，反而使得薄膜表面出现大颗粒团聚现象。对薄膜的介电频谱、介电非线性、漏电流、P-E回线测试、以及微波频率介电性能的测试发现，在x=0.05的组份中，随着衬底温度的提高，薄膜的介电常数得到了比较明显的提高，损耗也相应提高。在250 mJ 、3 Hz、 10 Pa和原位退火的条件下，在衬底温度为750℃时，薄膜具有较大的介电可调性，在250 kV/cm偏场下，可调率约为33％。在三个不同Bi掺杂组份的薄膜研究中，发现在同样的制备条件下x=0.10组份表现出比较大的可调率，在300 kV/cm偏场下约为35％，同时介电损耗也比较小，约为0.013。P-E回线测试结果表明，在室温下三个Bi掺杂组份的薄膜都表现为顺电态，掺杂后薄膜没有表现出明显的铁电性。同时，漏电流测试结果表明，经过Bi掺杂为x=0.05和x=0.10组份薄膜漏电流比较大，并在较低的场强下击穿。通过对漏电流机理的分析，薄膜在低场强下满足空间限制电荷机理。
