稀土摻雜鈦酸鉍鐵電薄膜結(jié)構(gòu)和光電性能的研究

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1、稀土摻雜鈦酸鉍鐵電薄膜的結(jié)構(gòu)與光電性能研究專業(yè)：凝聚態(tài)物理博士生：阮凱斌指導(dǎo)教師：包定華教授摘要本論文采用化學(xué)溶液沉積法(cSD)制各稀土摻雜鈦酸鉍(BLnT)鐵電薄膜，研究了這類薄膜材料的鐵電、介電和光學(xué)透過率等性能，還探索了銪摻雜鈦酸鉍(BEuT)薄膜的光致發(fā)光性能。主要內(nèi)容如下：(1)采用csD方法制備了鈦酸鉍(BIT)鐵電薄膜，研究其鐵電、介電及光學(xué)透過率的性能，作為下一步工作的基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在BIT中摻入不同的稀土元素，薄膜的鐵電性能均不同程度地得到改善。(2)在石英玻璃和列Ti02／Si02／Si襯底上制備了B幻5Nd085Ti

2、3012(BNT)薄膜。在石英襯底上的BNT薄膜結(jié)晶呈隨機(jī)取向。Ptm02／si02／si襯底上的BNT薄膜的結(jié)晶取向與退火溫度有關(guān)。700oC以下退火的BNT薄膜主要是(117)和(200)方向的衍射峰，而退火溫度達(dá)到700oC及以上的BNT薄膜則呈c軸擇優(yōu)取向。另外，在氧氣中退火的BNT薄膜結(jié)晶為(117)和(200)方向的混合取向。BNT薄膜取向的不同影響了薄膜的電學(xué)性能。結(jié)果表明，氧氣中退火的BNT薄膜的鐵電、介電性能要好于空氣中退火的BNT薄膜。而對于不同溫度退火的BNT薄膜，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在700oC退火時(shí)薄膜具有比較好的電學(xué)性能。(3

3、)在多種不同襯底上制備了(Bi，Eu)。Ti3012薄膜。在11’o導(dǎo)電玻璃和石英玻璃襯底上的BEuT薄膜呈隨機(jī)取向；Pt用02／Si02／Si襯底上的BEuT薄膜結(jié)晶為一定程度的c軸取向。在不同取向的STo單晶襯底上的BEuT薄膜的結(jié)晶狀況差別也很大。sT0(100)襯底上的BEuT薄膜呈高度的c軸擇優(yōu)取向，而STD(111)襯底上BEuT薄膜則結(jié)晶為隨機(jī)取向。薄膜的晶粒尺寸和表面粗糙度隨著退火溫度的提高而增加。R蚴譜分析證實(shí)了在BLnT薄膜中，稀土元素主要地取代鈣鈦礦層中的A位Bi而非(Bi202)2+層中的Bi，與普遍的觀點(diǎn)一致。BEu

4、T薄膜的電學(xué)性能與BNT薄膜類似，在氧氣氣氛中退火的薄膜性能較好。而BEuT薄膜的光學(xué)透過率與退火溫度相關(guān)；退火溫度較低的BEuT薄膜，其透過率相對高一些，但是變化不是很明顯，而Eu3十摻雜量的變化對薄膜的光學(xué)透過率的影響不大。(4)研究了BEuT薄膜的光致發(fā)光譜。其中Eu3+離子的發(fā)射包含橙色(594衄)和紅色(617衄)兩種顏色的光，分別對應(yīng)于磁偶極躍遷5Do一7Fl和電偶極躍遷5Do一7F2。另外，Eu3+的發(fā)射峰包含了若干重疊的蜂，這是Eu”離子的躍遷輻射出現(xiàn)了劈裂現(xiàn)象。而對于Eu3+的激發(fā)，實(shí)驗(yàn)中以350姍的波長的光激發(fā)Bi3+離子

5、比直接用Eu3+的特征激發(fā)波長397nm的光激發(fā)BEuT薄膜更能有效的激發(fā)Eu3+離子，說明Bi3+離子和Eup離子之間存在有效的能量傳遞；實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了Bi3+離子的發(fā)射譜與Eu3+離子的激發(fā)譜確實(shí)存在部分的能量重疊。(5)研究BEuT薄膜的光致發(fā)光現(xiàn)象時(shí)發(fā)現(xiàn)，退火溫度、Eu3+離子的摻雜濃度以及薄膜的結(jié)晶取向等因素都影響薄膜的發(fā)光性能。在一定溫度范圍內(nèi)，隨著退火溫度的提高，BEuT薄膜的發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng)。進(jìn)一步提高退火溫度，薄膜的發(fā)光強(qiáng)度反而減弱。這種發(fā)光行為與薄膜在不同溫度退火的結(jié)晶狀況有關(guān)。而Eu3+離子的摻雜濃度對BEuT薄膜的光致發(fā)

6、光性能也有很大的影響。隨著Eu3+離子摻雜濃度的改變，薄膜的發(fā)光強(qiáng)度先是增加，到了一個(gè)最大值后反而降低；這種行為是發(fā)光的濃度猝滅效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在ITO導(dǎo)電玻璃和石英玻璃襯底上的BEuT薄膜的猝滅濃度值出現(xiàn)在x=O．40，而BEuT薄膜在sTO(100)襯底上的猝滅濃度值則上升至x=O．55。這跟sTO(100)襯底上的BEuT薄膜具有高度的c軸擇優(yōu)取向有關(guān)；由于獲得較好的外延生長，薄膜晶粒邊界的非輻射缺陷減少，這導(dǎo)致了BEuT薄膜猝滅濃度的上升。此外，s1Io(100)襯底上的BEuT薄膜也同時(shí)具有比較強(qiáng)的發(fā)光強(qiáng)度，這也與其c軸擇優(yōu)取向是有

7、關(guān)的。而薄膜具有比較高的猝滅濃度，是一種異常的濃度猝滅效應(yīng)，這與BEuT薄膜特殊的材料結(jié)構(gòu)有關(guān)。由于Eu3+離子主要是取代鈣鈦礦層(Bi2．xEuxTi30l∥‘中的Bi3+離子，這就使Eu3+離子之間的能量傳遞被嚴(yán)格限制在Eu3+亞晶格層內(nèi)，這樣就減小了Eu3+的無輻射弛豫，因而也就造成了BEuT薄膜異常的濃度猝滅效應(yīng)。(6)為了提高BEuT薄膜的發(fā)光性能，在ITO導(dǎo)電玻璃襯底上制備了Eu，Gd雙稀土摻雜的鈦酸鉍薄膜，其化學(xué)式為(B“5Ell0425Gd0425)Ti3012(BEGD。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Eu和Gd的雙摻雜保持了Bj4Ti301

8、2的層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，在保持BEuT和BGdT薄膜的鐵電、介電、光學(xué)透過率等性能的同時(shí)，改善了薄膜的光致發(fā)光性能。這最直接的原因是Eu3+離子濃度的減小，較大的避免了