BaTi2O5新型铁电薄膜的取向控制与铁电性研究

BaTi2O5是一种新型无铅铁电材料，具有广泛应用的潜力。基于BaTi2O5单晶的优异性能及铁电各向异性，本项目拟开展高取向性BaTi2O5薄膜及其相关基础科学问题的研究。采用溶胶凝胶法制备高取向性BaTi2O5薄膜并对其生长机理、铁电性能进行系统研究。通过优化工艺条件，控制成膜过程，研究控制结晶择优取向的方法，获得制备高取向性BaTi2O5薄膜的关键技术。对BaTi2O5薄膜的组成、结构、界面、晶粒取向和大小等进行表征，得到薄膜结构和铁电性能的相关性规律。采用SPM对BaTi2O5薄膜进行纳米尺度原位铁电性能研究，研究铁电薄膜纳米尺度的电畴结构及其极化反转和保持特性，并分析不同环境条件下BaTi2O5薄膜畴结构的变化规律，探讨其铁电本质。研究BaTi2O5材料的铁电性随尺寸变化的规律，定量理解其尺寸效应，为进一步研究基于BaTi2O5薄膜的铁电器件奠定基础。

铁电元器件集成化、功能化对铁电薄膜的研究和应用提出了新要求，BaTi2O5是一种新型无铅铁电材料，基于BaTi2O5单晶的优异性能及铁电各向异性，本项目开展BaTi2O5薄膜取向性控制及铁电性研究，探明了BaTi2O5薄膜的微结构和宏观性能关系的规律，所得结果为进一步研究基于BaTi2O5薄膜的铁电器件奠定了基础。取得了如下重要研究进展：.1.获得了溶胶-凝胶法制备(020)取向生长的BT2薄膜的关键技术。发展了优化的层层退火热处理工艺，有效克服了有机物热解、铁电相形成、薄膜开裂的矛盾，发现晶化层诱导生长的重要作用，实现了取向性BT2薄膜的可控生长。.2.采用PFM成功观察到BT2薄膜铁电畴结构，并实现了极化反转。PFM原位压电测试呈现 “蝴蝶曲线”形态。证实BT2薄膜具有明显的铁电性及压电响应特性。.3. 制备出随机取向、部分取向、(020)取向的三种BaTi2O5薄膜并研究了性能。随着(020)取向度的提高，薄膜铁电、介电、压电性能均得到提高。(020)取向生长的BT2薄膜，2Pr=6μC/cm2、Ec=25V/cm，且具有良好的介电性能。对其漏电流机制进行了合理解释。.4. 研究了Ba位La掺杂、Ti位Zr掺杂对BT2薄膜结构和性能的影响。成功制备了Ba1-xLaxTi2O5（x=0-0.01）、BaZrxTi2-xO5（x=0-0.008）薄膜，掺杂离子均能固溶到BT2晶格中。掺杂改善了薄膜的介电、铁电性能。x=0.004时，Ba1-xLaxTi2O5薄膜2Pr=2.1 μC/cm2，介电常数为630；x=0.006时，BaZrxTi2-xO5薄膜2Pr=1.7 μC/cm2，介电常数为622。.5. 获得了Fe掺杂BaTi1-xFexO3（x=0-0.02）薄膜结构和性能的衍化规律。铁掺量增加使薄膜的四方性下降。首次证实当x=0.01时，铁掺杂会导致薄膜室温下存在两种不同有序结构，这种独特结构使薄膜具有良好的铁电、压电性能。.6.研究了Fe掺杂对BaFexTi2-xO5（x=0-0.012）薄膜结构和性能的影响。随着铁掺量增加，居里温度下降。掺杂改善了薄膜的介电、铁电性能。x=0.004时，掺铁的BaTi2O5薄膜2Pr=1.54 μC/cm2，Ec为4kV/cm，介电常数为708。首次观察到BT2薄膜的弥散相变特征。