稀土掺杂钛酸铋铁电薄膜结构和光电性能的研究

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1、稀土掺杂钛酸铋铁电薄膜的结构与光电性能研究专业：凝聚态物理博士生：阮凯斌指导教师：包定华教授摘要本论文采用化学溶液沉积法(cSD)制各稀土掺杂钛酸铋(BLnT)铁电薄膜，研究了这类薄膜材料的铁电、介电和光学透过率等性能，还探索了铕掺杂钛酸铋(BEuT)薄膜的光致发光性能。主要内容如下：(1)采用csD方法制备了钛酸铋(BIT)铁电薄膜，研究其铁电、介电及光学透过率的性能，作为下一步工作的基础。实验证实，在BIT中掺入不同的稀土元素，薄膜的铁电性能均不同程度地得到改善。(2)在石英玻璃和列Ti02／Si02／Si衬底上制备了B幻5Nd085Ti

2、3012(BNT)薄膜。在石英衬底上的BNT薄膜结晶呈随机取向。Ptm02／si02／si衬底上的BNT薄膜的结晶取向与退火温度有关。700oC以下退火的BNT薄膜主要是(117)和(200)方向的衍射峰，而退火温度达到700oC及以上的BNT薄膜则呈c轴择优取向。另外，在氧气中退火的BNT薄膜结晶为(117)和(200)方向的混合取向。BNT薄膜取向的不同影响了薄膜的电学性能。结果表明，氧气中退火的BNT薄膜的铁电、介电性能要好于空气中退火的BNT薄膜。而对于不同温度退火的BNT薄膜，实验发现在700oC退火时薄膜具有比较好的电学性能。(3

3、)在多种不同衬底上制备了(Bi，Eu)。Ti3012薄膜。在11’o导电玻璃和石英玻璃衬底上的BEuT薄膜呈随机取向；Pt用02／Si02／Si衬底上的BEuT薄膜结晶为一定程度的c轴取向。在不同取向的STo单晶衬底上的BEuT薄膜的结晶状况差别也很大。sT0(100)衬底上的BEuT薄膜呈高度的c轴择优取向，而STD(111)衬底上BEuT薄膜则结晶为随机取向。薄膜的晶粒尺寸和表面粗糙度随着退火温度的提高而增加。R蚴谱分析证实了在BLnT薄膜中，稀土元素主要地取代钙钛矿层中的A位Bi而非(Bi202)2+层中的Bi，与普遍的观点一致。BEu

4、T薄膜的电学性能与BNT薄膜类似，在氧气气氛中退火的薄膜性能较好。而BEuT薄膜的光学透过率与退火温度相关；退火温度较低的BEuT薄膜，其透过率相对高一些，但是变化不是很明显，而Eu3十掺杂量的变化对薄膜的光学透过率的影响不大。(4)研究了BEuT薄膜的光致发光谱。其中Eu3+离子的发射包含橙色(594衄)和红色(617衄)两种颜色的光，分别对应于磁偶极跃迁5Do一7Fl和电偶极跃迁5Do一7F2。另外，Eu3+的发射峰包含了若干重叠的蜂，这是Eu”离子的跃迁辐射出现了劈裂现象。而对于Eu3+的激发，实验中以350姗的波长的光激发Bi3+离子

5、比直接用Eu3+的特征激发波长397nm的光激发BEuT薄膜更能有效的激发Eu3+离子，说明Bi3+离子和Eup离子之间存在有效的能量传递；实验结果也证实了Bi3+离子的发射谱与Eu3+离子的激发谱确实存在部分的能量重叠。(5)研究BEuT薄膜的光致发光现象时发现，退火温度、Eu3+离子的掺杂浓度以及薄膜的结晶取向等因素都影响薄膜的发光性能。在一定温度范围内，随着退火温度的提高，BEuT薄膜的发光强度增强。进一步提高退火温度，薄膜的发光强度反而减弱。这种发光行为与薄膜在不同温度退火的结晶状况有关。而Eu3+离子的掺杂浓度对BEuT薄膜的光致发

6、光性能也有很大的影响。随着Eu3+离子掺杂浓度的改变，薄膜的发光强度先是增加，到了一个最大值后反而降低；这种行为是发光的浓度猝灭效应。实验发现，在ITO导电玻璃和石英玻璃衬底上的BEuT薄膜的猝灭浓度值出现在x=O．40，而BEuT薄膜在sTO(100)衬底上的猝灭浓度值则上升至x=O．55。这跟sTO(100)衬底上的BEuT薄膜具有高度的c轴择优取向有关；由于获得较好的外延生长，薄膜晶粒边界的非辐射缺陷减少，这导致了BEuT薄膜猝灭浓度的上升。此外，s1Io(100)衬底上的BEuT薄膜也同时具有比较强的发光强度，这也与其c轴择优取向是有

7、关的。而薄膜具有比较高的猝灭浓度，是一种异常的浓度猝灭效应，这与BEuT薄膜特殊的材料结构有关。由于Eu3+离子主要是取代钙钛矿层(Bi2．xEuxTi30l∥‘中的Bi3+离子，这就使Eu3+离子之间的能量传递被严格限制在Eu3+亚晶格层内，这样就减小了Eu3+的无辐射弛豫，因而也就造成了BEuT薄膜异常的浓度猝灭效应。(6)为了提高BEuT薄膜的发光性能，在ITO导电玻璃衬底上制备了Eu，Gd双稀土掺杂的钛酸铋薄膜，其化学式为(B“5Ell0425Gd0425)Ti3012(BEGD。实验结果表明，Eu和Gd的双掺杂保持了Bj4Ti301

8、2的层状钙钛矿结构，在保持BEuT和BGdT薄膜的铁电、介电、光学透过率等性能的同时，改善了薄膜的光致发光性能。这最直接的原因是Eu3+离子浓度的减小，较大的避免了