SBT类钙钛矿结构铁电陶瓷制备与Cu单晶衬底上薄膜沉积探索

摘要

铁电薄膜及其在非挥发性铁电存储器(ferroelectric random access memory,简称FRAM)领域的应用是近年来国内外研究的热点。本研究分别从铁电材料体系和薄膜衬底的选择两个方面入手,尝试解决FRAM面临的铁电疲劳问题。研究中,以抗铁电疲劳性能突出的SrBi2Ta2O9(SBT)类钙钛矿结构铁电材料作为主要研究对象,对类钙钛矿相的合成、大尺寸靶材制备、衬底加工和铁电薄膜沉积进行了全面的探索。
　　 采用固相反应法制备了Bi2O3过量程度不同的SBT陶瓷及靶材,探讨了制备工艺及Bi2O3过量程度对SBT陶瓷结构及性能的影响。以自制的大尺寸靶材,采用射频磁控溅射法(radio frequency magnetron sputtering,简称RMP)尝试了在Cu单晶衬底上沉积SBT铁电薄膜,通过N2气氛退火的方式使其从无定形状态转变为结晶态,并对其结构和性能进行了初步探讨。
　　 研究结果表明,采用两步合成法制备类钙钛矿结构SBT时,BiTaO4前驱体和SBT粉体的最佳合成温度分别为900℃和950℃。1000℃时烧结可以得到结晶度较高的类钙钛矿结构SBT铁电陶瓷,而且随着烧结温度的升高,SBT陶瓷的致密度和c-轴取向度会逐渐提高,铁电性随之增强,但介电性则有所降低。过量Bi2O3的加入不仅会起到烧结助剂和促进SBT陶瓷中晶粒沿c-轴取向生长的作用,还可以提高SBT陶瓷的介电性,影响SBT陶瓷的铁电性。其中Bi2O3过量5m01％时,SBT陶瓷的铁电性最好。在1000℃烧结2h制得Bi2O3含量不同的类钙钛矿结构SBT陶瓷靶材,外观无明显变形,其综合性能可满足射频磁控溅射镀膜的要求。在Ar/O2气氛中沉积1.5～3h得到SBT薄膜后,在不同温度的N2气氛中退火,进行掠入射X射线衍射(grazing incidence X-ray diffraction,简称GIXRD分析。结果表明:SBT薄膜在650℃开始结晶,780℃结晶度较好,但Cu单品衬底出现了部分氧化现象。所制备的SBT簿膜漏电流较大,这可能是Cu原子在SBT晶界处扩散至薄膜表面后聚集,以及Cu的氧化和Bi2O3的挥发导致SBT中的空位浓度增加所致。