（PSTT10/45）₄多層薄膜鐵電性研究

李雪冬等

摘 要：以LaNiO3做緩沖層，用射頻磁控濺射法在SiO2/Si（100）襯底上制備出[0.9Pb（Sc0.5Ta0.5）O3-0.1PbTiO3/0.55Pb（Sc0.5Ta0.5）O3 -0.45PbTiO3]4鐵電多層薄膜。采用兩步法在峰值溫度800 ℃對薄膜進(jìn)行退火。通過x射線衍射分析了薄膜的物相結(jié)構(gòu)，通過電滯回線和漏電流曲線對薄膜的鐵電性能進(jìn)行了測量。研究發(fā)現(xiàn)，薄膜展現(xiàn)出高度（100）取向的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和增強的鐵電性，其剩余極化2Pr=26.2 μc/cm2，矯頑場2Ec=53.9 kV/cm，100 kV/cm下漏電流密度為1.87×10-4A/cm2。分析了鐵電性增強和漏電流增大的可能原因。

關(guān)鍵詞：多層薄膜 鐵電性 電滯回線 XRD

中圖分類號：0484 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）04（c）-0006-02

近年來，鐵電薄膜由于在非揮發(fā)性鐵電存儲器、傳感器、微電子系統(tǒng)等方面有著廣泛的應(yīng)用前景而受到人們的重視[1]。在眾多材料中，鉭鈧酸鉛（Pb（Sc0.5Ta0.5）O3， PST）有很高的熱釋電系數(shù)（可達(dá)230×10-8C/cm2·K）和探測器優(yōu)值，非常適合應(yīng)用于非制冷紅外探測器[2]，因此引起人們關(guān)注。其居里溫度在0～25℃之間，需要很高的制燒結(jié)溫度（～1500 ℃）才能形成致密的、具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的、性能良好的PST陶瓷，因而使其應(yīng)用受限。鈦酸鉛（PbTiO3，PT）是一種良好的鐵電體，其居里溫度約為490℃，所需燒結(jié)溫度不高。在PST中摻入PT改性后（（1-x）Pb（Sc0.5Ta0.5）O3 -xPbTiO3， PSTTx）[2，3]，能有效提高其居里溫度，降低燒結(jié)溫度，從而有可能在制成薄膜后擴展其應(yīng)用范圍。

多層薄膜是將不同材料或者不同組分的薄膜交替沉積在一起而構(gòu)成的，它具有非常吸引人的特性[4]：多層薄膜中不同膜層間存在著耦合和相互作用，能夠極大的影響薄膜的電學(xué)性能；如果恰當(dāng)?shù)慕M合多層薄膜，甚至有可能產(chǎn)生出一個或多個新奇特性。

最近，Anuj Chopra等人制備出了具有良好鐵電性能的PST單晶薄膜[5]。在先前的工作中，作者嘗試了多種方法以提高PSTT薄膜的特性，包括采用常規(guī)快速退火[6，7]和兩步法快速退火[8，9]，多次退火[10]，以Pb（Zr0.52，Ti0.48）O3為緩沖層制備PSTT薄膜[11]，或者制備交替組分的 （PSTT10/45）5 多層薄膜[12]。

在本工作中，作者采用射頻磁控濺射法制備出材料交替的（PSTT10/45）4多層薄膜。研究發(fā)現(xiàn)，薄膜具有很好的鐵電性。

1 實驗

采用傳統(tǒng)的氧化物固相燒結(jié)法將PSTT10、PSTT45和LaNiO3（LNO）制成粉末靶。用射頻磁控濺射法（沈科儀，JGP5600），在SiO2/Si（100）襯底上制備約120 nm的LNO電極，襯底溫度為350 ℃，濺射功率60 W，其它參數(shù)見參考文獻(xiàn)[5]。樣品被取出，在750 ℃下快速退火1.5 min（ULVAC-RIKO公司，Mila-3000），使LNO預(yù)結(jié)晶。采用相同的濺射條件，在LNO緩沖層上制備4個周期（n=4）的PSTT10/45多層薄膜，再制備一層PSTT10覆蓋層，PSTT10和PSTT45的總厚度均為250 nm左右，多層薄膜總厚度約為500 nm。采用兩步法在800 ℃重復(fù)退火3次，兩步法退火工藝見文獻(xiàn)[5]。用直流濺射法在薄膜表面制備面積為2×103cm2的金電極點陣，形成電容結(jié)構(gòu)。采用x射線衍射（XRD，丹東DX-1000）分析了薄膜的物相結(jié)構(gòu)。采用精密鐵電工作站（Radiant公司，RT2000 Tester）測試薄膜的電滯回線和漏電流特性。

2 結(jié)果與討論

圖1a是（PSTT10/45）4多層薄膜的x射線衍射圖譜。可以看出，薄膜具有近乎的純鈣鈦礦相，并且在（100）方向高度取向，這是由LNO的引導(dǎo)作用造成的[10， 12]。由圖1a的插圖可以看到，薄膜具有增強的鐵電性，其剩余極化強度2Pr=26.2 μc/cm2，矯頑場2Ec=53.9kV/cm，其剩余極化遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于（PSTT10/45）5多層薄膜（2Pr=12.8 μc/cm2）[12]，幾乎提高了一倍，矯頑場也低于（PSTT10/45）5多層薄膜（2Ec=63.8kV/cm）。為什么（PSTT10/45）4的鐵電性會比（PSTT10/45）5的鐵電性有如此大的提高呢？究其原因，很有可能是界面效應(yīng)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，多層薄膜的周期數(shù)或界面密度會極大的影響薄膜的電學(xué)特性[4，13，14]：在多層薄膜的周期數(shù)較小時，因為膜層間應(yīng)力的作用，其電學(xué)特性會隨著周期數(shù)增加而增強并達(dá)到一個峰值；另一方面，隨著薄膜周期數(shù)（界面）的增加，其界面缺陷（體積分?jǐn)?shù)）也會增加，因而當(dāng)界面密度（周期數(shù)）超過一定值時，薄膜的電學(xué)特性又會下降，（PSTT10/45）4多層薄膜可能剛好處于這一臨界點上，因此具有很強的鐵電性。另外，薄膜具有純鈣鈦礦相也是可能的因素之一。

圖1b是（PSTT10/45）4多層薄膜的漏電流特性曲線。在100 kV/cm場強下，其漏電流密度為1.87×10-4A/cm2，比作者在其它工作中制備的（PSTT10/PT）3和（PSTT10/ PMNT35）2多層薄膜（發(fā)表中）的漏電流大一個數(shù)量級，這很可能是由于過高的退火溫度引起的，上述兩種薄膜是在750 ℃退火，（PSTT10/45）4是在800 ℃退火，過高的退火溫度會增加Pb的揮發(fā)，使薄膜缺陷增加，從而引起漏電流增加。

3 結(jié)論

采用射頻磁控濺射法在LNO/SiO2/Si（100）襯底上制備出（PSTT10/45）4多層薄膜。用兩步法在800 ℃峰值對薄膜進(jìn)行后續(xù)退火。研究發(fā)現(xiàn)，薄膜具有增強的鐵電性，其剩余極化2Pr=26.2μc/cm2，矯頑場2Ec=53.9kV/cm。100kV/cm場強下漏電流較大，為1.87×10-4A/cm2。endprint

（PSTT10/45）4薄膜的增強鐵電性是可能由界面效應(yīng)引起，漏電流增大可能是由過高的退火溫度引起。

參考文獻(xiàn)

[1] N.Setter，D.Damjanovic， L. Eng，et al.Ferroelectric thin films：Review of materials， properties，and applications[J].Journal of Applied Physics，2006，

100（5）：051606-1-46.

[2] J.R.Giniewicz，A.S.Bhalla，L.E. Cross.Identification of the morphotropic phase boundary in the lead scandium tantalate lead titanate solid solution system[J].Journal of Materials Science，1997，32（9）：2249-2253.

[3] H.Liu，J.F.Wang，J.Y.Wang，et al.Dielectric and piezoelectric properties of lanthanum-modified 0.55Pb（Sc1/2Ta1/2）O3-0.45PbTiO3 ceramics[J].Journal of the European Ceramic Society，2000，20（14/15）：2337-2346.

[4] J.Wu，D.Xiao，J.Zhu.Periodicity and orientation dependence of electrical properties of [（Pb0.90La0.10）Ti0.975O3/PbTiO3]n（n=1-6） multilayer thin films[J].Applied Surface Science，2009，255（19）：8305-8308.

[5] A. Chopra，D.Pantel，Y. Kim，et al.Microstructure and ferroelectric properties of epitaxial cation ordered PbSc0.5Ta0.5O3 thin films grown on electroded and buffered Si（100）[J].Journal of Applied Physics，2013，114（8）：084107-1-5.

[6] L. Hong， G. Xiaogang， Z. Zhenning，et al.Ferroelectric and domain properties of 0.55Pb（Sc1/2Ta1/2）O3-0.45PbTiO3 thin films[J].Ferroelectrics，2007，357：259-263.

[7] X. Li， Y. Sun， H. Liu，et al.Influence of annealing process on crystalline，microstructure， and ferroelectric properties of PSTT5 thin films[J].Ferroelectrics，2009，384（1）：160-165.

[8] Y.C. Sun， X.D. Li， Y.Y. Zhou，et al.Effect of Two-steps RTA on the properties of PSTT5 thin films[C]//Isaf：2009 18th Ieee International Symposium on the Applications of Ferroelectrics.New York：Ieee，2009.

[9] X.D.Li，Q. Chen， Y.C. Sun，et al.Preparation and charaterization of high （100） oriented PSTT5 thin flims by RF sputtering technology[C]//Isaf： 2009 18th Ieee International Symposium on the Applications of Ferroelectrics.New York：Ieee，2009.

[10] X.D. Li， H.L. Guo， H. Liu，et al.Effect of different annealing methods on ferroelectric properties of 0.95Pb（Sc0.5Ta0.5）O3-0.05PbTiO3 thin films[J].Applied Surface Science，2011，257，（15）：6756-6760.

[11] Y. Pu， J. Zhu， X. Zhu，et al.Enhanced ferroelectric properties of 0.95Pb（Sc0.5Ta0.5）O3–0.05PbTiO3 thin films with Pb（Zr0.52，Ti0.48）O3 seed layer[J].Ceramics International，2012，38， Supplement 1（0）： S233-S236.

[12] X. Li， H. Liu， G. Liu，et al.Dielectric and ferroelectric properties of （100）-oriented 0.9Pb（Sc0.5Ta0.5）O3 -0.1%PbTiO3/0.55Pb（Sc0.5Ta0.5）O3-0.45%PbTiO3 heterostructures[J].Applied Surface Science，2014，314（0）：124-128.

[13] R. Ranjith， B. Kundys， W. Prellier.Periodicity dependence of the ferroelectric properties in BiFeO3∕SrTiO3 multiferroic superlattices[J].Applied Physics Letters，2007，91（22）： 222904-1-3.

[14] L. Feigl， S.J. Zheng， B.I. Birajdar，et al.Impact of high interface density on ferroelectric and structural properties of PbZr0.2Ti0.8O3 /PbZr0.4Ti0.6O3 epitaxial multilayers[J].Journal of Physics D： Applied Physics，2009，42（8）： 085305-1-6.endprint