无铅Na0.5Bi0.5TiO3基薄膜的制备及压电铁电性能研究

钛酸铋钠(Na0.5Bi0.5TiO3)被公认为是最有望取代铅基压电材料的钙钛矿结构铁电体。目前Na0.5Bi0.5TiO3薄膜由于具有严重的漏电和较大的矫顽场，使其极化非常困难。本项目将针对这一难题，选用LaNiO3/Si为衬底，系统地研究前驱体溶液、挥发元素的补偿、退火温度、退火气氛等因素对Na0.5Bi0.5TiO3薄膜整体和局部的非化学计量比、漏电问题的影响；以及高价离子掺杂对薄膜的形貌、漏电、铁电、压电性能的影响。从晶体缺陷的角度分析Na0.5Bi0.5TiO3薄膜内具体缺陷的存在形式和抑制机理，为有效降低漏电流和矫顽场的方法提供理论依据。在此基础上，通过引入K+、Ba2+等A位取代离子制备二元或三元系Na0.5Bi0.5TiO3基薄膜，进一步改善性能。我们希望通过本项目的开展，制备出在铁电、压电等性能指标上均能满足集成器件应用要求的无铅Na0.5Bi0.5TiO3基薄膜材料。

铁电材料由于具有铁电、压电效应等多种特性而广泛地应用于存储器、压电传感器和执行器等众多领域。目前广泛使用的多为性能比较优越的铅基材料，如PbTiO3，Pb(Zr,Ti)O3，Pb(Mg,Nb)O3等，其中PbO的含量高达60%以上，这势必会在生产、使用及废弃后处理过程中造成严重的环境危害。.钛酸铋钠(Na0.5Bi0.5TiO3, NBT)是一种A位复合的ABO3型钙钛矿结构铁电体，已被公认为是有望取代铅基材料的无铅体系，但其铁电压电性能至今还明显差于铅基材料。对NBT基薄膜而言，具有严重的漏电和较大的矫顽场，导致极化非常困难。为了抑制NBT薄膜的漏电，改善其电学性能，我们做了如下工作：.(1) 通过制备纯相NBT薄膜，发现：(i)很容易出现与钙钛矿相共存的焦绿石杂相，推测是由于高温下铋或钠元素的挥发，或者溶液中离子分布不均匀导致了化学计量比的偏离。(ii)薄膜上施加的电压还未达到所要求的极化电压，就已严重漏电，铁电畴在极化过程中无法充分翻转。分析NBT薄膜漏电流大的原因是由于薄膜内部存在的大量缺陷，如氧空位所造成的。因此，我们将在以下部分探讨如何得到单一相的NBT薄膜，以及如何抑制氧空位或控制缺陷。.(2) 纯相钙钛矿结构NBT基薄膜可以通过以下途径获得：焦绿石杂相在更高的退火温度下可以转换为钙钛矿相；通过在前驱体溶液中加入聚乙二醇，使离子分布更均匀，降低了结晶前离子重排需要的能量；与结晶温度低，结构相同的BiFeO3薄膜固溶。后两种方法可以在500°C的低温下获得单一相NBT基薄膜。.(3) 以 NBT为参照，通过离子掺杂，如：Fe离子、Ce离子、Zr离子、CeFe离子共掺，以及非化学计量比等方法的应用有效地改善了NBT薄膜的电学性能。尤其是，在500kV/cm的电场强度下，(Ce,Fe)共掺的NBT漏电流密度降低了大约2个数量级，并从缺陷化学的角度予以解释。.(4) 在离子掺杂改性NBT的基础上，通过与BiFeO3形成固溶体薄膜，更进一步的提高了NBT薄膜的铁电性，并且具有较强的铁磁性。在550kV/cm的电场强度下，剩余极化强度为32.6μC•cm-2，矫顽场为84 kV•cm-1。.通过本项目的开展，为提高NBT薄膜的电学性能提供了有效的实验方法和理论依据。