用于集成压电芯片的BiFeO3-基薄膜的漏电流和老化抑制

BiFeO3(BFO)薄膜优异的压电性能和非常低的沉积温度使其在未来集成压电芯片领域具有非常大的应用潜力。本项目针对BFO薄膜在未来压电器件中将会遇到的漏电和老化两个问题，对比研究不同高价离子对BFO薄膜晶粒尺寸及均匀性的影响以确定最适合掺杂到BFO中的高价离子。在此基础上，系统研究Bi过量、退火温度、退火氧气分压、高价离子的掺量、以及薄膜厚度对高价离子掺杂的BFO薄膜表面形貌、漏电流、铁电、介电、压电、微观畴结构、以及微观漏电性能的影响。从缺陷化学的角度分析抑制高价离子掺杂的BFO薄膜的漏电和老化的具体缺陷类型和关键因素。为寻找更有效的能同时抑制BFO薄膜漏电和老化的方法提供理论依据。我们希望通过本项目的开展能最终制备出在绝缘性、压电常数、介电常数、以及矫顽场等性能指标均能满足未来集成压电芯片的BFO薄膜。为下一步研发BFO-基集成压电芯片打下坚实的基础。

作为一种有广阔应用前景的无铅铁电材料，BiFeO3 薄膜由于具有优异的铁电、压电以及铁磁性能而被深入研究了近十年。在本课题设立之前，BFO薄膜一直受困于严重的漏电和老化，这将导致薄膜的铁电、压电性能的长期稳定性不可避免地发生退化。针对这两个严重问题，本课题系统研究了高价离子如Ti4+, Zr4+, V5+, Mo6+ 以及W6+ 等对BFO薄膜结构以及晶粒尺寸均匀性的影响。XRD和AFM结果显示，Ti4+ 和W6+ 离子都有助于获得纯相而且晶粒尺寸均匀的BFO薄膜。而W6+ 离子在消除氧空位方面效率更高，1%摩尔W6+ 离子足以在不牺牲抗击穿性能的前提下对BFO薄膜起到了明显的去老化作用。BFWOx=0.01薄膜的剩余压电常数高达130皮米/伏。而BFWOx=0.02 薄膜表现出的铁电和压电性能退化说明掺杂离子对BFO薄膜晶粒生长的副作用必须被考虑进来。这一点在Nd掺量少于5% 摩尔的BFO薄膜中再一次得到证实。Bi0.97Nd0.03FeO3 薄膜的压电常数达到了160 皮米/伏，更重要的是在极化20小时之后薄膜的压电常数反而增大了6.8%。我们把这个现象归因于氧空位从缺陷对中释放之后的再分布和再定向。优异的压电性能使Bi0.97Nd0.03FeO3 薄膜在未来的压电薄膜器件应用中更具竞争力。通过对比沉积在LaNiO3(100)/Si衬底上的Bi0.98Ca0.02FeO3 和 BiFe0.98Ni0.02O3薄膜的晶体结构和铁电电滞回线，发现在B位产生缺陷对比在A位形成缺陷对导致的老化更加严重。我们的研究还发现，经常在老化的BiFe0.95Mn0.05O3 薄膜中发现的铁电畴反转(backswitching)能通过调整层层快速退火制备薄膜的层厚得到抑制。适度降低层厚一方面能有助于柱状晶粒的形成，从而使薄膜中的缺陷对显著降低；另外也能使获得满足要求的铁电性能所需的退火温度降低。上述这些发现为彻底解决铁电薄膜的老化和漏电问题给出了新的途径。