BaTi-,2-O-,5-薄膜的脈沖激光沉積、結(jié)構(gòu)控制及其性能研究.pdf

1、二鈦酸鋇（BaTi2O5）是近年來發(fā)展起來的一種新型無鉛鐵電材料，但目前對(duì)其研究主要集中在塊體特別是單晶材料的制備與性能上，為滿足鐵電器件小型化、集成化發(fā)展的需求，需要進(jìn)一步進(jìn)行 BaTi2O5薄膜的研制。為此，論文以新型無鉛 BaTi2O5薄膜的制備、結(jié)構(gòu)控制及其性能研究為目標(biāo)，采用脈沖激光沉積（Pulsed Laser Deposition，PLD）技術(shù)制備 BaTi2O5薄膜，以期為新一代存儲(chǔ)器和光電子器件等的應(yīng)用提供一種環(huán)境友好

2、、性能優(yōu)良的鐵電新材料。
　　 高質(zhì)量的陶瓷靶材是利用 PLD技術(shù)制備 BaTi2O5薄膜的前提。針對(duì) BaTi2O5的相分解和常規(guī)方法難以得到大尺寸靶材的問題，論文首先提出采用電弧熔煉技術(shù)結(jié)合熱壓燒結(jié)方法制備物相單一、高致密度、大尺寸的 BaTi2O5陶瓷。以BaCO3和 TiO2微粉為原料，采用非平衡電弧熔煉技術(shù)，利用其高溫熔煉、快速冷凝的特點(diǎn)抑制 BaTi2O5的相分解，獲得了物相單一的 BaTi2O5粉體。在此基礎(chǔ)上，采

3、用真空熱壓燒結(jié)技術(shù)對(duì)電弧熔煉的 BaTi2O5粉體進(jìn)行燒結(jié)致密化。重點(diǎn)研究了燒結(jié)工藝對(duì)其物相、結(jié)構(gòu)和致密度的影響，通過提高燒結(jié)溫度和壓力增大了 BaTi2O5陶瓷的燒結(jié)致密度，適宜的制備條件為1473K-50MPa-2h。再將BaTi2O5陶瓷經(jīng)高溫退火處理（1273K-10h）后，得到了物相單一、結(jié)晶良好、致密度較高（88.6％）的BaTi2O5陶瓷靶材，滿足了 BaTi2O5薄膜的制備需求。
　　 由于 BaTi2O5的高介

4、電常數(shù)和鐵電性都只表現(xiàn)在 b軸方向上，如何獲得具有 b軸擇優(yōu)取向的 BaTi2O5薄膜是實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用的關(guān)鍵。以 BaTi2O5陶瓷為靶材，采用脈沖激光沉積技術(shù)在 MgO（100）襯底上制備 BaTi2O5薄膜，重點(diǎn)研究了激光能量密度、氧分壓、襯底溫度等沉積參數(shù)對(duì)薄膜生長及其結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明：隨著脈沖激光能量的降低，BaTi2O5薄膜的結(jié)晶取向逐漸由（710）向（020）變化，且其表面形貌從一種無規(guī)律、松散的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榘魻罱徊娴闹旅芙Y(jié)構(gòu)

5、；隨著襯底溫度（Tsub）的升高，薄膜的擇優(yōu)取向逐漸由（710）向（020）變化，而且結(jié)晶性變好，晶粒間結(jié)合更緊密；氧分壓（PO2）也對(duì) BaTi2O5薄膜的結(jié)晶取向、結(jié)晶度、表面形貌和粗糙度有顯著的影響。適宜的 PLD沉積條件為：激光能量密度2J/c㎡，Tsub=973K，PO2=12.5Pa，在該條件下得到的 BaTi2O5薄膜物相單一，沿 b軸方向擇優(yōu)生長，晶粒結(jié)晶良好，呈棒狀交叉分布，結(jié)合緊密，薄膜表面平整，Ti/Ba比接近化學(xué)

6、計(jì)量比。
　　 利用反射式高能電子衍射系統(tǒng)（Reflective High Energy Electron Diffraction，RHEED）對(duì) b軸擇優(yōu)取向 BaTi2O5薄膜在 MgO（100）襯底上的生長過程進(jìn)行監(jiān)測，得到了清晰的條形衍射圖譜，說明薄膜表面平整，為層狀生長模式。X射線極圖進(jìn)一步表明 BaTi2O5薄膜在 MgO襯底上外延生長，二者之間的外延關(guān)系為：BaTi2O5（020）[100]//MgO（100）[0

7、01]和 BaTi2O5（020）[100]//MgO（100）[010]，這主要與 BaTi2O5薄膜和 MgO襯底的良好晶格匹配性有關(guān)。
　　 為與半導(dǎo)體工藝相兼容，論文還開展了硅基 BaTi2O5薄膜的制備研究。首先，以 MgO陶瓷為靶材，采用脈沖激光沉積技術(shù)，在 Si（100）單晶襯底上制備MgO薄膜，研究了沉積參數(shù)對(duì)薄膜的結(jié)晶取向、結(jié)晶度、表面形貌和粗糙度的影響，確定了適宜的沉積條件為：激光能量密度3.5J/c㎡，襯底

8、溫度673K，真空環(huán)境。在該條件下獲得了（100）擇優(yōu)取向、表面平整、致密的 MgO薄膜，可作為緩沖層材料進(jìn)一步用于制備 b軸方向擇優(yōu)生長的 BaTi2O5薄膜。隨后，利用脈沖激光沉積技術(shù)，通過在 Si（100）單晶襯底上構(gòu)筑與 BaTi2O5相匹配的MgO（100）薄膜緩沖層，成功獲得了 b軸方向擇優(yōu)生長的 BaTi2O5薄膜，制備的BaTi2O5（020）/MgO（100）/Si（100）薄膜表面平整，晶粒間結(jié)合緊密，BaTi2O5

9、薄膜、MgO緩沖層與 Si襯底之間結(jié)合緊密，界面清晰，各層厚度均勻，滿足了半導(dǎo)體工業(yè)對(duì)硅基 BaTi2O5薄膜的需求。
　　 最后，對(duì) BaTi2O5薄膜的介電、鐵電和光學(xué)等性能進(jìn)行了測試和表征。在可見光和紅外波長范圍內(nèi)，b軸方向擇優(yōu)生長的 BaTi2O5薄膜具有較高的光學(xué)透過率（～70％），其吸收邊在282nm，能帶隙為3.56eV。隨測試溫度的升高，薄膜的電阻率逐漸下降，其導(dǎo)電活化能約為1.25eV。薄膜具有較高的居里溫度（