（材料学专业论文）钛酸铋钠基铁电薄膜的制备及相关刻蚀工艺的研究.pdf

摘 要 摘 要 含铅量较大的铁电材料在制备和使用的 过程中， 都会给环境和人类带 来损害。为了保护地球和人类的生存空间，防止环境的污染，实现可持续 发展的目 标， 世界各国的 科技工作者正 在抓紧 研究少铅或无铅的压电、 铁 电材料。 其中， 钦酸秘钠一一 n a o .s b i o .5 t i 伍 ( n b t ) 基材料是近几年研究的 少铅或无铅的热门材料之一。目 前对钦酸秘钠基材料的研究主要集中在陶 瓷和单晶上， 我们尚未见到n a o .s b i o .5 t i o 3 基薄膜材料的报道。 本论文正是 针对这种具有实用环保意义的研究方向和钦酸秘钠基薄膜这一具有创新 意义的工作，进行了 钦酸秘钠基薄膜的制备及其铁电性的研究。 当前研究表明， 钦酸锡钠具有良 好的铁电 性， 它的剩余极化强度p r - 3 8 u c / c 时， 室 温 介电 常 数。 r 为2 4 0 - 4 0 0 , 钦 酸 铭 钠 的 居 里 温 度( 最 大 转 变 温度)为 3 2 0 c .钦酸铭钠材料的这些特点对铁电薄膜集成器件的制备非 常 有 利 。钦 酸 秘 钠 基材 料 还具 有 突 出的压 电性 ，其 中 ， 0 .9 4 n a o .5 b i o .5 t i 0 3 - 0 .0 6 b a t i 氏材料由 于在室温下处于三方一四方准同型相 界附 近， 压电 系 数d 3 3 = 1 2 5 x 1 0 - c i n ， 机电 藕 合 系 数10 3 3 = $ 5 % 。 另 外， 钦 酸秘钠基材料还具有良 好的热释电 性， 其热释电 系数 p = 2 .5 x 1 0 - c m 2 k 1 ， 在 7 -1 0 3 的 温度范围内 变化较小。该 特点 对制作室温热 电器件和红外探测器十分有利。而且，钦酸秘钠的热释电性能与钦酸铅、 错钦酸 铅的 热释电 性能 基 本相当。 钦酸秘 钠的 频率常 数n p = 3 2 0 0 h z m . 这种良 好的光学性质有利于制作声表面波器件和超声传感器。 上个世纪我们目 睹了一个重要研究领域的到来， 即铁电材料和器件领 域。过去的十几年中，在铁电薄膜的制备、 性能、测试、加工和微结构研 究方面， 铁电薄膜、 缓冲层与半导体 材料的 集成方面，以 及铁电 薄膜异质 结构的研究和制作方面取得了重大进步。 钙钦矿结构材料的高介电常数可 以应用于动态随机存储器 ( d r a m) ;铁电材料的大剩余极化适合制作非 挥发铁电动态随机存储器 ( n v f r a m ) 。最近十年的研究主要集中在铁电 山东大学博士学位论文 电容器异质结构的合成、 性质以及基于铁电薄膜存储器的应用这两个方面 的基础科学领域。 本论文的主要工作之一正是研究钦酸锡钠基铁电薄膜及 其在a u / n b t / s i o z / s i/ a u 的m f i s m结构上电 容器的应用指标和特性. 氧化物铁电薄膜的技术应用并不局限于铁电存储器。 利用其所具有的 性能， 包括介电、 铁电、压电、电致伸缩、热电、光学、电光， 将其应用 延伸到集成器件或分立元件。 薄膜的主要应用包括: 存储器中的多层电容、 基于压电薄膜的微电子机械系统 ( me ms ) 、边界层电容器、压敏电阻、 气体传感器、辐射探测器、温度传感器、换能器、开关、快门和高能量密 度电 池。 这方面的陶瓷制品占 据了重要的世界市场， 而且市场需求量正逐 年稳步增长。 当然， 我们主要关注的是铁电薄膜和铁电 集成器件。 当前， 与半导体 技术密切相关的铁电薄膜集成器件的研究和制造应当具有以 下特点:( 1 ) 利用该过程可以沉积铁电薄膜并且能用不同的物理化学特性与金属的或 导电的氧化物电极层集成到一起。 ( 2 ) 与集成器件过程相容， 包括用尽可 能合理的温度生产出具有特定微观结构的薄膜。( 3 )生产出与器件相容的 薄膜， 具有高取向性或多晶薄膜及有某种特性的异质结构 ( 例如经过多次 极化翻转后无疲劳现象， 极化保持性，无极化标记效应) ( 4 ) 沉积过程可 重复进行。( 5 ) 沉积过程成本不太高并且沉积速率高。 既然铁电薄膜技术及其器件制造提出了 上述诸多要求， 而且也有较大 的市场需求， 所以 我们对钦酸秘钠基铁电薄膜进行探索的过程中，正是按 照上述对铁电 器件的要求和市场的需求来进行研究的。 诸如， 优化沉积的 参数和条件， 多次极化翻转后的疲劳特性， 极化保持特性，制备与器件工 艺相兼容的薄膜，沉积过程可重复进行，薄膜制备过程的花费不太高等， 这些都是本论文研究钦酸秘钠基铁电薄膜的主要研究内容. 目 前研究较多而且已经进入商用的 s r b i 2 t a 2 o 9 薄膜具有较为突出的 铁电 存储性和抗疲劳 特性， 但是其结晶退火温度却高达7 5 0 - 8 5 0 0c ， 这一 点对于相关器件的制备十分不利。因此， 有必要探索结晶退火温度相对较 低的新的铁电薄膜材料或新的薄膜制备方法。 这也是本论文研究钦酸秘钠 摘 要 基铁电薄膜的主要目的之一。 本论文对钦酸锡钠基铁电薄膜进行了系统的、 探索性的研究。 从前驱 体的配制、薄膜制备、组份测定到x 射线测量。从电滞回线测量、介电温 谱和介电频谱的测量、c - v曲 线的测量到薄膜器件开关翻转次数的测量。 从薄膜的湿法刻蚀到等离子刻蚀工艺的研究。从原子力显微镜对薄膜形 貌、 结构的观察和分析到高分辨电 子显微镜对t i 0 2 纳米晶结构的 确定和缺 陷的观察。 最近十几年来，少铅的钦酸秘钠铁电材料时有报道。含5 %s : 和5 % p b 的钦酸秘钠材料可以 用于热释电探测器: 含6 . 5 % s r 和6 . 5 % p b 的钦酸 秘钠材料具有较低的介电常数和高的机电祸合系数可以用来制备超声传 感器。另外， 铅的掺杂可以提高钦酸铅钠材料的最大介电常数并使钦酸秘 钠基材料的 相变温度点向 低温方向 移动。 铅的掺杂达到1 3 -1 7 %时钦酸秘 钠材料处于三方一四方准同形相界附近。类似的，钡的掺杂达到 5 一 6 %时 钦酸秘钠材料处于三方一四方准同型相界附近。目 前的研究已经证明，材 料从三方相到四方相转变的 相界附 近其压电 性能 有突变， 通常压电 系数d 3 3 异常增加，伴随着机电祸合系数明显提高。对于钦酸秘钠基材料在三方到 四方相转变的相界附近其铁电性能有何改善，也是本论文关注的主要问 题。 鉴于铅和钡的掺杂量在三方一四方相转变的 相界附近其压电 系数 d 3 3 异常增加， 铁电性也较为突出， 所以， 我们的薄膜制备工作集中在无铅的 n a o .s b i o .5 t i o 3 和0 . 9 4 n a o .5 b i o .5 t i 0 3 - 0 .0 6 b a t i o : 上 以 及 少 铅 的 0 .8 7 n a o .5 b i o .5 t i 0 3 - 0 . 1 3 p b t i 0 3 和0 . 7 9 n a o s b i o s t i o 3 - 0 .2 1 p b t i 0 3 上。 本论文的创新点如下: 创新点1 . 首次制备了 钦酸锡钠基铁电 薄膜。得到了稳定的、可以重复的薄膜制 备工艺。而且将钦酸秘钠基薄膜的结晶退火温度控制在 6 0 0 0c，这对后续 铁电 器件的研究和制备十分有利。 此项研究意义在于探索一种新的铁电薄 膜材料，该薄膜的应用指标达到商业使用的要求， 薄膜制备及刻蚀工艺上 山东大学博士学位论文 可以与现有的半导体工艺相兼容。 创新点 2 . 首次使用s f 6 r c h f 3 气体，以及s f 6 / c h f 3 混合气体对钦酸秘钠薄膜 和b i 2 t i 2 0 7 薄膜进行了 等离子体刻蚀研究。得到了比 较适合的刻蚀速率。 同时使用h f : n h 4 f : h 2 0 = 2 : 1 . 2 : 3 摩尔比) 的刻蚀溶液对钦酸秘钠薄 膜和b i 2 t i 2 0 7 薄膜进行化学刻蚀。而且， 刻蚀工艺均能与现有的半导体器 件工艺相兼容。 其意义在于探索一种新的对于钦酸秘钠和钦酸秘薄膜适用 的薄膜刻蚀方法，解决它们走向器件应用关键性的工艺技术问题。 创新点3 . 0 . 7 9 n a o _5 b i o ,5 t i 氏一 。 .2 1 p b t i 伪薄膜的开关疲劳 特性在2 . 5 x 1 护仍无明 显的 衰 减， 同 时 ， 其自 发 极 化 强 度 达 到1 1 1l c / c m 2 。 该 项 研 究 指 标已 经 可以 满足商业使用的需要。 创新点4 . 研究了a u / n b t / s i o 2 / s i 结 构的c - v曲 线， 在p - s i ( 1 1 1 ) 衬 底上制备了 一层厚度约为5 n m的 氧化硅b u ff e r l a y e r ， 形成了a u / n b t / s i o 2 / s i 的m r s 结构。 在此结构上得到了真正意义上的存储模式一一电极化型存储模式。 8 7 n a o ,5 b i o .5 t i o 3 - 0 . 1 3 p b t i o 3 薄膜c - v曲 线的记忆窗口宽度大于3 v , c - v特性曲线中记忆窗口的宽度表征了薄膜剩余极化的大小，而且该c - v 曲线的矩形度良 好，表明钦酸秘钠基铁电薄膜的mf i s结构具有较好的存 储效应，是可以用于制备铁电场效应管的良好的薄膜材料。 创新点5 . 进 行了 钦 酸 秘 钠基 薄 膜 介电 温 谱的 研究。 从0 .8 7 n a o .5 b io .5 t i o 3 - 0 . 1 3 p b t i o 3 薄膜的 介电 温谱得知，1 3 % 铅的 掺杂会使钦酸锡钠薄膜材料的 第一相变点从2 2 0 下降到 1 3 0 c. 除了 上述创新点工作之外， 我们还在钦酸秘钠薄膜的应用指标、 制备 工艺等方面作了努力。 我们制备的n a o .5 b i o .5 t i 0 3 薄膜在14 v的范围内，电阻率大于 1 . 3 0 x l o l l 0 c m 。 含铅1 3 % 的0 .8 7 n a o .5 b io .5 t i o 3 - 0 . 1 3 p b t i o 3 薄膜在士 5 v 的范围 摘 要 内 ， 漏电 流密 度始终小 于 i 0 - a / c m 2 。 我们 制 备的 钦酸秘 钠基薄 膜的 厚 度 通常在 3 0 0 0 - 7 o o o a的范围，厚度 6 0 0 0 a左右的薄膜工作耐压可以达到 1 5 v 。显示出钦酸秘钠基薄膜具有良好的绝缘特性和低的漏电流。这也是 一项重要的应用指标。 我们还重点分析了 在硅衬底上使用m o s d + d i p p i n g 方法和在铂金衬 底上 使 用m o s d + s p in c o a t i n g 方 法 制备 钦 酸 秘 钠 基 薄 膜 在 工艺 上 的 不同。 特别研究了 采用上述两种薄膜制备工艺对薄膜结晶退火温度的影响。 研究 表明 采用m o s d + d ip p in g 的 方法在 硅衬底 上制 备钦酸 秘钠基薄 膜， 可以 将薄膜的结晶退火温度控制在6 0 0 1c . 本论文还对钦酸秘钠薄膜和b i 2 t i 2 0 7 薄膜进行了 原子力显微观察和研 究。 在原子力显微图中观察到薄膜的生长台阶以 及与薄膜生长理论相一致 的台面一台阶一扭折现象。 用原子力显微镜结合x 射线分析发现， 快速退 火能够使m o c v d方法生长得到的b i 2 t i 2 0 7 薄膜具有很强的 ( 1 1 1 ) 取向 性。 对快速退火前后的钦酸铭钠薄膜和b i 2 t i2 0 7 薄膜进行原子力观察。 在 不同薄膜的原子力图像中，经过快速退火后，薄膜中的未结晶颗粒晶化， 薄膜的平整度、 光洁度有极为明显的改善和提高。 本工作从原子力显微观 察的角度揭示了快速退火对高介电薄膜的影响。 在b i 4 t i3 0 l: 材料中掺入少量的n a ，得到了非常稳定的具有很好矩形 度和很大记忆窗口 的m r s 结构的c - v曲 线. 其意义在于钦酸钮薄膜材料 掺杂改性对m rs 结构的c - v曲线特性有很大改善， 这一点对铁电 场效应 管的 研究和制备非常重要。 另外， 采用m o c v d方法制备了t i 0 2 纳米晶。采用高分辨电子显微 镜观察到t i o 2 纳米晶的晶粒外形为六角形， 同时 观察到纳米晶表面的孪晶 和层错， 从高分辨电子显微镜的晶格图中清晰地显示出t i 仇纳米晶结晶度 的高低及纳米晶粒的粒度大小。 关 键 词:n a o .5 b io .5 t i o 3 ，铁电 薄 膜 ，m o s d 方 法 ，浸 渍 法. 山东大学博士学位论文 abs t ract a s i s w e l l k n o w n , f e r r o e l e c t r i c m a t e r i a l s c o n t a i n i n g m u c h l e a d c a n c a u s e e n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o n a n d d a m a g e p e o p le s h e a l t h d u r i n g m a n u f a c t u r e a n d u s e . i n o r d e r t o p r o t e c t o u r e n v i r o n m e n t fr o m l e a d p o l l u t i o n , t h e s c i e n t i s t s a l l o v e r t h e w o r l d a r e e n g a g e d i n l e a d - fr e e o r l o w l e a d c o n t e n t p i e z o e l e c t r i c a n d f e r r o e l e c t r i c m a t e r i a l s . a m o n g a l l t h e s e m a t e r i a l s , n a o .5 b i o s t i o 3 m t ) i s o n e o f t h e m a i n r e s e a r c h i n g m a t e r i a l s i n r e c e n t y e a r s , b u t f o c u s e s o n i t s c e r a m i c s a n d s i n g e r c rys t a l . t h i n f i l m s o f n a o .5 b i o .5 t i 0 3 h a v e n t b e e n r e p o rt e d . i n p r e s e n t w o r k , w e h a v e p r e p a r e d n a o .5 b i o fi 0 3 t h i n f i l m s a n d s t u d i e d i t s p h y s i c s a n d c h e m i c a l p r o p e rt i e s r e c e n t s t u d i e s s h o w t h a t n a o .5 b i o fi 0 3 h a s g o o d f e r r o e l e c t r i c p r o p e r ty , i t s r e m a n e n t p o l a r iz a t io n p r - 3 8 ii c / c m 2 , a n d d i e l e c t r ic c o n s t a n t ( r ) i s 2 4 0 - 4 0 0 a t r o o m t e m p e r a t u r e , t h e f e r r o e l e c t r i c c u r ie p o i n t i s 3 2 0 0c . t h e s e p r o p e r t i e s o f n a o ,s b i o fi 0 3 a r e a d v a n t a g e s f o r p r e p a r i n g f e r r o e l e c t r i c i n t e g r a t i o n d e v ic e s . i n a d d it i o n , n a o .5 b i o ji 0 3 m a t e r i a l s h a v e p r o m i n e n t p i e z o e l e c t r i c p r o p e rt i e s . i n t h e r h o m b o h e d r a l - t e tr a g o n a l m o r p h o t r o p i c p h a s e b o u n d a r i e s , 0 .9 4 n a o .5 b io .5 t i0 3 - 0 .0 6 l3 a t i o 3 h as p ie z o e le c t r i c c o n s t a n t d 3 3 = 1 2 5 ( 1 0 - c / n ) , th e e l e c t r o m e c h a n i c a l c o u p l i n g f a c t o r k 3 3 = 5 5 % . i n a d d i t i o n , n a o .5 b i o .s t i o 3 h a s f a v o r a b l e p y r o e l e c t r i c p r o p e r ty , i t s p y r o e l e c t r i c c o e f fi c i e n t p = 2 . 5 x 1 0 -0 c m 2 k 1, a n d i t c h a n g e s li tt l e b e t w e e n 7 0c a n d 1 0 3 0c . t h is p e r m it s m a n y p o s s i b l e a p p l i c a t i o n s i n t h e r m o e l e c t r i c i ty d e v i c e s a t r o o m t e m p e r a t u r e a s w e l l as i n fr a r e d d e t e c t o r a r r a y s . mo r e o v e r , t h e p y r o e l e c t r i c p r o p e rt y o f n a o .5 b i o ,5 t i o 3 i s s i m i l a r t o t h a t o f p t a n d p z t . t h e fr e q u e n c y c o e ffi c i e n t o f n a o .5 b i o .5 t i 0 3 i s n p = 3 2 0 0 h z m , t h i s . p r o p e rt i e s a r e p r o p i t i o u s t o m a k i n g s o u n d wa v e d e v i c e a n d u l t r a s o n i c s e n s o r . w e a r e w i t n e s s i n g t h e c o m i n g a g e o f r e s e a r c h o f f e r r o e l e c t r i c m a t e r i a l s i n t h e p a s t c e n t u ry . ma j o r a d v a n c e s h a v e m a d e i n t h e l a s t d e c a d e i n r e s e a r c h r e l a t e d t o t h e s y n t h e s i s , c h a r a c t e ri z a t i o n , a n d d e t e r m i n a t i o n o f abs tract p r o c e s s i n g - m i c r o s t ru c t u r e - p r o p e rt y r e l a t i o n s h i p s o f f e r r o e le c t r i c t h i n f i l m s a n d t h e i r in t e g r a t i o n i n t o f u n c t i o n a l h e t e r o s t r u c t u re s . t h e h i g h d ie l e c t r i c p e r m i t t i v i t i e s o f p e r o v s k i t e - t y p e m a t e r i a l s c a n b e u s e d in d y n a m i c r a n d o m a c c e s s m e m o r i e s ( d r a m ) , w h i l e t h e l a r g e v a l u e s o f s w i t c h a b l e r e m n a n t p o l a r i z a t i o n o f f e r r o e l e c t r i c m a t e r i al s a r e s u it a b l e f o r n o n - v o l a t i l e f e r r o e l e c t r i c r a n d o m a c c e s s m e m o r i e s ( n v f r a m) . t h e r e s e a r c h p e r f o r m e d d u r i n g t h e l a s t d e c a d e h as f o c u s e d o n d e v e l o p i n g b o t h t h e s c ie n t if i c b a s e s f o r t h e s y n t h e s i s a n d c h a r a c t e r i z a t i o n o f f e r r o e l e c t r i c c a p a c i t o r h e t e r o s t ru c t u r e s a n d t h e a p p l i c a t i o n s t o f e r r o e l e c t r i c f i l m - b as e d m e m o r i e s . i n t h i s w o r k , w e s t u d y t h e p r o p e rt i e s o f n a o .5 b i o .5 t i o 3 t h i n f i l m s a n d a u / n b t / s i 0 2 / s i / a u a r c h i t e c t u r e . t h e t e c h n o l o g i c al u s e s o f o x i d e t h in f i l m s a r e n o t l i m i t e d t o f e r r o e le c t r i c m e m o r i e s , b u t e x t e n d t o a w i d e r a n g e o f a p p l i c a t i o n s in d i s c r e t e d e v i c e s , c o v e r i n g t h e f u ll r a n g e o f t h e i r p r o p e rt i e s , i n c l u d i n g d i e l e c t r i c , f e r r o e l e c t r i c , p i e z o e l e c t r i c , e l e c t r o s t r i c t i v e , p y r o e l e c t r c , o p t i c al , e l e c t r o - o p t i c a n d m a g n e t i c p r o p e rt i e s , as w e l l a s e l e c t r o n i c c o n d u c t i o n , i o n i c c o n d u c t i o n a n d s u p e r c o n d u c t i v it y . a p p l i c a t i o n s in c l u d e m u l t i l a y e r c a p a c i t o r s f o r m e m o r ie s p i e z o e l e c t r i c f i l m - b as e d m i c r o e l e c t r o - m e c h a n i c a l s y s t e m s ( me ms ) , b o u n d a r y l a y e r c a p a c i t o r s , v a r i s t o r s , g a s s e n s o r s , r a d i a t i o n d e t e c t o r s , t e m p e r a t u r e s e n s o r s , t r a n s d u c e r s , s w i t c h e s , s h u tt e r s , mh d e l e c t r o d e s , f u e l c e l l e l e c t r o l y t e s c o n c e n t r a t i o n c e l l e le c t r o ly t e s a n d e l e c t r o l y t e s f o r h i g h e n e r g y d e n s i t y b a tt e r i e s . t h e s e c e r a m i c s r e p r e s e n t a n i m p o r t a n t w o r l d m a r k e t , w h i c h h a s b e e n e x p e r i e n c i n g s t e a d y g r o w t h . h o w e v e r , a s f o r f e r r o e l e c t r i c f i l m a n d t h e i r i n t e g r a t e d d e v i c e . a m a n u f a c t u r i n g p ro c e s s f o r p r o d u c in g f e r r o e l e c t r i c t h i n f i l m - b a s e d d e v i c e s s h o u l d a t l e a s t i n c l u d e t h e f o l l o w i n g c h a r a c t e r i s t i c s : ( 1 ) a p p l i c a b i l i t y o f t h e p r o c e s s e s t o d e p o s i t i o n o f f e r r o e l e c t r i c f i l m s a n d in t e g r a t i o n w i t h m e t al l i c o r c o n d u c t i v e o x i d e e l e c t r o d e l a y e r s w i t h d if f e r e n t p h y s i c a l a n d c h e m i c a l p r o p e r ti e s ; ( 2 ) c o m p a t i b i l i t y w i t h i n t e g r a t e d d e v i c e p r o c e s s i n g , i n c l u d in g p r o d u c t i o n o f a s - d e p o s it e d f i l m s w it h s p e c i f ic m i c r o s t r u c t u r e s ( p e r o v s k it e , f o r e x a m p l e ) o n s u b s t r a t e s a t t h e l o w e s t p o s s i b l e t e m p e r a t u r e ; ( 3 ) p r o d u c t i o n o f d e v i c e - c o m p a t i b l e , h i g h l y o ri e n t e d o r p o l y c ry s t a l l i n e f i l m s a n d h e t e r o s t ru c t u r e w it h s p e c i f i c p r o p e rt i e s ( e .g .f a t i g u e - f r e e f o r a l a r g e n u m b e r o f p o l a r i z a ti o n 山东大学博士学位论文 s w i t c h i n g c y c l e s , l o n g p o l a r i z a t i o n r e t e n t i o n t i m e s , a n d n o p o la r i z a t i o n i m p r i n t e ff e c t s ) ; ( 4 ) r e p r o d u c i b i l i t y o f t h e d e p o s i t i o n p r o c e s s a n d ( 5 ) s i m p l e a n d l o w c o s t d e p o s i t i o n p r o c e s s e s w i t h c a p a c i t y f o r h i g h d e p o s i t i o n r a t e s . i t h as b e e n m e n t i o n e d a b o v e t h a t m a n y d e m a n d s a b o u t f e r r o e l e c t r i c t h i n f i l ms s c i e n c e n a o .5 b i 0 .5 t i o 3 a n d d e v i c e s , a n d h a v e a l a r g e g l o b a l m a r k e t . s o , s t u d i e s o n t h i n me n t i o n e d c o n d i t i o n s , p o l a r i z a t i o n a b o v e f i l ms s u c h a r e a l s o a c c o r d i n g t o t h e r e q u e s t s a n d d e m a n d as , o p t i m i z a t i o n o f t h e d e p o s i t i o n p a r a m e t e r s a n d f a t i g u e - f re e f o r a l a r g e n u m b e r o f p o l a r i z a t i o n s w i t c h i n g c y c l e s , r e t e n t i o n t i m e s , c o m p a t i b i li t y w it h i n t e g r a t e d d e v i c e , r e p r o d u c ib i l i t y o f t h e d e p o s i t i o n p r o c e s s , s i m p le a n d l o w c o s t d e p o s i t i o n p r o c e s s e s , a l l t h e s e p r o b l e m s w i l l b e a d d r e s s e d i n t h i s t h e s i s . a t p r e s e n t , s r b i 2 t a 2 0 9 t h i n f i l m s h a v e p r o m i n e n t f e r r o e l e c t r i c m e m o ry a n d f a t i g u e - fr e e p r o p e rt i e s , a n d i t h a s b e e n c o m m e r i z e d . i t s a n n e a l i n g t e m p e r a t u r e i s h i g h t o 7 5 0 一8 5 0 c , w h i c h i s a d i s a d v a n t a g e f o r p r e p a r in g r e l a t e d d e v i c e s . i t i s n e c e s s a r y f o r e x p l o r i n g a n o v e l k i n d f e r r o e l e c t r i c fi l m m a t e r i a l s o r n e w t h e m a l m e t h o d . t h i s i s a l s o o n e a im o f m y w o r k i n t h i s t h e s i s . e x p l o r a t i o n o f n a o .5 b io ,5 t i 0 3 t h i n f i r m s h a s b e e n c a r r i e d o u t . s u c h a s , t h e p r e p a r a t i o n o f p r e c u r s o r s o lu t i o n , f i l m s f a b r i c a t i o n a n d t h e x - r a y d i ff r a c t i o n a n a l y s i s ; p - e h y s t e re s i s l o o p s r e s e a r c h , - t c u r v e a n d- f c u r v e s m e as u r e m e n t s ; p o l a r i z a t i o n s w i t c h i n g c y c l e s s t u d i e s ; w e t e t c h in g a n d r e c t i v e i o n e t c h i n g o n t h e t h i n f i lm ; t h e s u r f a c e m o r p h o l o g ie s o f t h e f i lm s e x a m i n e d b y a t o m i c f o r c e m i c r o s c o p y ( a f m) a n d t h e s t r u c t u r e a n d d i s f i g u r e m e n t o f t i 0 2 s t u d i e d b y u s in g h i g h d i s t i n g u i s h e l e c t r o n m i c r o s c o p e . i n r e c e n t y e a r s , t h e r e a r e l o t s o f r e p o r s o n l o w - l e a d n a o ,5 b i o .5 t i o 3 m a t e r i a l s r e p o rt e d . n a o .5 b i o .5 t i o 3 m a t e r i a l c o n t a i n i n g 5 % s r a n d 5 % p b c a n b e u s e d in d e t e c t o r d e v i c e s , n a o .5 b i o fi o 3 m a t e r i a l c o n t a i n i n g 6 .5 % s r a n d 6 . 5 % p b w h i c h h as l o w d ie l e c t r i c c o n s t a n t a n d h i g h e l e c t r o m e c h a n i c a l c o u p l i n g f a c t o r i s s u i t a b l e f o r u l t r as o n i c s e n s o r . i n a d d i t i o n , p b d o p i n g c a n i n c r e a s e t h e m a x i m u im d i e l e c t r i c c o n s t a n t o f n a o .5 b i o fi o 3 a n d m a k e p h a s e t r a n s i t i o n t e m p e r a t u r e m o v e t o l o w t e m p e r a t u r e . n a a .5 b i o .5 t i o 3 m a t e r i a l s c o n t a i n i n g 1 3 一 1 7 % p b l i e s i n t h e r h o m b o h e d r a l - t e t r a g o n a l m o r p h o t r o p i c p h a s e b o u n d a r i e s . abs tract s i m i l a r i l y , n b t c o n t a i n i n g 5 一6 % b a i s a l s o i n t h e r h o m b o h e d r a l - t e t r a g o n a l m o r p h o t r o p i c p h a s e b o u n d a r i e s . a r e c e n t s t u d y s h o w s t h a t i t s p i e z o e l e c t r i c p r o p e r t i e s c h a n g e d r a m a t i c a l l y fr o m r h o m b o h e d r a t o t e t r a g o n a l , p i e z o e l e c t r i c c o n s t a n t d 3 3 i n c r e a s e s h e a v i l y , t h e e l e c t r o m e c h a n i c a l c o u p l i n g f a c t o r i n c r e a s e s d r a m a t i c a l l y . t h e p h y s i c a l p r o p e r i t y n e a r r h o m b o h e d r a a n d t e t r a g o n a l o f n a p .5 b i o .5 t i o 3 i s a l s o o u r m a i n i s s u e o f t h i s w o r k . o u r j o b i s f o c u s e d o n l e a d - fr e e 0 .9 4 n a o ,5 b i o ,5 t i o 3 - 0 .0 6 b a t i o 3 , n a o .5 b i p ,5 t i 0 3 , a n d l e a d - s m a l l a m o u n t 0 . 8 7 n a p .5 b i c ,5 t i o 3 - 0 . 1 3 p b t i o 3 0 . 7 9 n a o .5 b i o . 5 t i o 3 - 0 . 2 1 p b t i o 3 t h e i n n o v a t i v e p o i n t s a r e a s f o l l o w s , a t fr i s t , n b t t h i n f i l m s h a v e b e e n s u c c e s s f u l ly p r e p a re d f o r t h e f i r s t t i m e . t