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1、热处理工艺对铁酸铋薄膜结构与表面形貌影响 摘要：采用溶胶凝胶法在ITO/glass衬底上制备出纯相BiFeO3薄膜。分析讨论了了退火温度、退火方式、对薄膜结构和形貌的影响。通过DTA-TG对溶胶前躯体进行表征,分析了BiFeO3溶胶与薄膜过程机理并确定了薄膜的预热处理温度和退火温度范围。通过XRD、SEM分析了薄膜的晶相及表面形貌。结果表明,薄膜采用层层退火方式结晶可提高薄膜结晶度，薄膜呈随机取向,薄膜最佳退火温度为550℃下，测得其电滞回线，Pr值约为2.08C/cm2。关键词:铁酸铋;溶胶凝胶法;铁电薄膜中
2、图分类号：TM22+1文献标识码：A0引言6铁电薄膜研究开发较早,Evans[1]等人采用铁电薄膜制成非挥发性半导体随机存储器(FRAM),从而掀起了对铁电薄膜研究和应用的高潮[2]。近年来,一种新型的铁电材料BiFeO3(BFO)越来越吸引了人们的注意。BFO具有简单钙钛矿结构,其中氧八面体绕体对角线轴转动一定的角度,形成一种偏离理想钙钛矿结构的斜六方体结构[3]。BFO长程电有序和长程磁有序使其同时具有铁电性和反铁磁性,二者共存的特性为研制新型存储器件提供了坚实的理论基础和重要的现实意义[4]。Sol—Gel
3、法具有良好的均匀性，化学组分易控制及可在大面积表面上制膜等特点，因而常采用此法制备铁电薄膜[5-6]及BiFeO3薄膜。目前，用Sol-Gel法制备BiFe03薄膜的铁电性主要有铁电性极强(Pr>50C/cm2)[7-8]及铁电性较弱(Pr 图4为不同退火温度的BiFeO3薄膜的XRD图，从图中可以看出，在退火温度为450℃时制备的薄膜出现了Bi2O2.33杂相峰，并且（010）峰并不明显，这是由于温度较低时,Fe(NO3)3·9H2O和Bi(NO3)3·5H2O已经完全分解,但由于晶化驱动力较低,尚不足以形成
4、稳定的晶核。而随着温度的提高，衍射峰强度增加，半高宽度逐渐减小，晶粒平均尺寸逐渐增大。由Scherrer公式计算析出的晶粒尺寸逐渐增加。温度分别在500℃、550℃和600℃的温度下，薄膜均可以晶化并且结晶程度良好。从图5中还可以看出，当薄膜退火温度超过550℃后，在2θ=32°左右的(110)峰分裂为双峰，这说明形成了明显的三方相结构，而450℃和500℃的BF0薄膜则呈赝立方相结构。图6四种不同退火温度的BFO薄膜的SEM表面形貌图6图6为四种不同退火温度BiFeO3薄膜的SEM表面形貌图，由图中看出在450
5、℃的时候薄膜结晶很不充分，随着温度的升高晶粒开始慢慢地长大，500℃的薄膜的晶粒长大了许多，但是结晶不够充分，550℃的薄膜的晶粒比较致密，而且晶粒长大的比较充分，随着温度的身高到了600℃，虽然薄膜的晶粒比500℃的薄膜晶粒大了很多，但是但由于Bi氧化物高温下挥发，薄膜表面留有少许气孔晶粒中出现了较多的孔洞，这对BiFeO3薄膜的铁电和介电性能是极为不利的。550℃的薄膜的晶粒大而且致密并且有很少的孔洞，从SEM看550℃的薄膜是最优的，这与XRD的结果基本是一致的。综上，我们选择薄膜的最佳退火温度是550℃。
6、3.4薄膜的性能图7BiFeO3的电滞回线由于BFO的介电常数非常低,漏电流很大,通常很难观测到饱和电滞回线。在BFO薄膜中,氧空位的微小波动就可引起电子在Fe3+和Fe2+之间的波动,电子波动宏观上表现为Fe价态的波动。根据电平衡原理将会有更多的氧空位补偿电子波动所产生的电荷不平衡。高温快速退火可以某种程度上抑制氧空位和电子的波动。图7为采用最佳工艺即在550℃下高温逐层快速退火8层的薄膜电滞回线,饱和电滞回线自发极化强度为4C/cm2，剩余极化强度为2.8C/cm2,矫顽电场为4.8kV/cm。虽然剩余极化强
7、度不大,但矫顽电场很小,这是BFO一个大的优势.63结论采用溶胶凝胶法在ITO/glass衬底上制备出纯相BiFeO3薄膜。分析讨论了了退火温度、退火方式对薄膜结构和形貌的影响。通过DTA-TG对溶胶前躯体进行表征,分析了BiFeO3溶胶与薄膜过程机理并确定了薄膜的预热处理温度和退火温度范围。通过XRD、SEM分析了薄膜的晶相及表面形貌。结果表明,薄膜采用层层退火方式结晶可提高薄膜结晶度，薄膜呈随机取向,薄膜最佳退火温度为550℃下，测得其电滞回线，Pr值约为2.08C/cm2。作者将进一步研究按此工艺制备的Bi
8、FeO3薄膜的成膜机制、铁电性能和相关应用。参考文献:[1]SchlossLF,HallerEE.[J].IntegratedFerroelectrics,1999,25(1-4):443-452.[2]MinoruN,KazuhikoH,RyuichiK,etal.[J].SensorsandActuators,1999,77(1):39-44.[3]王根水,赖珍荃,于
