鈣鈦礦型鐵電薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)的取向生長及性能研究.pdf

1、鈣鈦礦型(ABO3)鐵電薄膜作為電子功能陶瓷領(lǐng)域里最重要的一類鐵電材料，具有優(yōu)異的非揮發(fā)存儲鐵電性以及其它多種重要的傳感特性:絕緣介電性、壓電性、熱釋電性、電光性等。能夠?qū)崿F(xiàn)電能與電能、機(jī)械能與電能、熱能與電能以及光能與電能之間的相互轉(zhuǎn)換，為多種電子元器件的微型化與集成化創(chuàng)造了條件。在能源，國防，汽車，自動化等多個核心領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。
　　值得注意的是，目前電子器件中使用的鐵電薄膜絕大多數(shù)為單一成分的多晶結(jié)構(gòu)，按照晶粒取向

2、平均以后，具有較小的剩余極化強(qiáng)度和較差的電學(xué)性能，異質(zhì)結(jié)構(gòu)的界面調(diào)控作用變得十分微弱，也無法進(jìn)行薄膜的成分調(diào)控，這嚴(yán)重制約了ABO3型鐵電薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)的性能探索和高效應(yīng)用。因此，對于ABO3型鐵電薄膜的取向生長，以及通過取向和異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行性能調(diào)控的研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。
　　在實驗研究方面，本文基于BTO鐵電薄膜材料，運(yùn)用多靶射頻磁控濺射的制備技術(shù)取向生長BTO基薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)，研究薄膜的取向生長規(guī)律，以及“頂電極-

3、鐵電薄膜-底電極-基底”異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面和取向?qū)﹁F電薄膜微觀結(jié)構(gòu)和性能的調(diào)控作用。在理論方面，主要基于PZT鐵電薄膜，研究其壓電特性。本文主要的研究內(nèi)容如下:
　　(1)調(diào)節(jié)磁控濺射鍍膜工藝參數(shù)，以LSCO為底電極，在STO、MgO等單晶基片上沉積BTO鐵電薄膜。研究射頻功率、濺射氣壓、鍍膜氣氛及降溫速率等對BTO薄膜晶體取向、微觀形貌以及電疇結(jié)構(gòu)的影響。優(yōu)化實驗工藝條件后，進(jìn)一步研究薄膜厚度對其性能的影響作用，為后續(xù)研究工作奠定實驗

4、基礎(chǔ)。
　　(2)分別采用貴金屬Pt和導(dǎo)電氧化物L(fēng)SCO作為底電極，在(100)-MgO單晶基底上以相同的工藝條件沉積BTO薄膜。結(jié)果表明，底電極為Pt時，BTO薄膜為多晶結(jié)構(gòu);底電極為LSCO時，BTO薄膜為(001)外延單晶結(jié)構(gòu)。但在(001)取向上介電性能較差，致包含其它取向的前者具有較優(yōu)的介電性能。另外，BTO薄膜的結(jié)晶結(jié)構(gòu)可通過Pt電極層的織構(gòu)取向來調(diào)控，而Pt的織構(gòu)取向強(qiáng)烈依賴其生長溫度，低溫(200℃)為(111)高

5、度擇優(yōu)，隨著生長溫度的升高，逐漸由(111)向(200)轉(zhuǎn)變，溫度越高，(200)織構(gòu)取向越明顯。
　　(3)選用鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電氧化物L(fēng)SCO、LNO和SRO作為底電極，分別得到BTO/OBE/STO異質(zhì)結(jié)構(gòu)。所有BTO薄膜均是外延取向結(jié)構(gòu)，并具有良好的鐵電性及高擊穿場強(qiáng)。比較分析發(fā)現(xiàn)，界面壓應(yīng)力越大，BTO薄膜的介電常數(shù)和介電調(diào)諧率就越高;底電極功函數(shù)越大，薄膜的漏電流越大，越容易擊穿。同時運(yùn)用金屬-半導(dǎo)體接觸理論，研究了這些

6、BTO/OBE異質(zhì)界面空間電荷狀態(tài)和傳輸行為，理論計算出這些薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)的界面勢壘高度(0.79-0.88eV)、空間電荷密度(5.14×1019-1.51×1020cm-3)、自由載流子濃度(3.7×1018-1.1×1019cm-3)、耗散層厚度以及界面層厚度(δ((V)))等特征物理量，并分析它們對BTO薄膜電學(xué)性能的調(diào)控作用。研究表明這些異質(zhì)結(jié)構(gòu)的界面電荷傳輸機(jī)制從低壓段到高壓段分別為肖特基、離子和Pool-Frenkel發(fā)射傳

7、導(dǎo)機(jī)制。
　　(4)選用不同取向的單晶基底材料，以SRO作為底電極，制備形成不同的BTO/SRO/Sub(hkl)異質(zhì)結(jié)構(gòu)。根據(jù)晶格匹配程度，探討薄膜的取向生長機(jī)理及其對電學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，BTO薄膜的晶體結(jié)構(gòu)受基底晶格常數(shù)和取向的影響。此外，BTO薄膜表現(xiàn)出強(qiáng)烈的電學(xué)性能各向異性，比較發(fā)現(xiàn)，(111)取向的BTO薄膜具有最佳的介電性能，(001)取向的BTO薄膜具有最佳的鐵電性能。另外，將BTO/LSCO/Sub異質(zhì)結(jié)構(gòu)制

8、成懸臂梁測量其壓電位移，發(fā)現(xiàn)通過使用不同的基底材料可以對BTO薄膜的壓電力常數(shù)e31,f進(jìn)行有效的調(diào)控。
　　(5)用射頻磁控濺射在(100)-STO基底上沉積(001)高度擇優(yōu)取向的BTO-STO超晶格納米復(fù)合薄膜。由于超晶格界面應(yīng)變的作用，其低頻介電常數(shù)可達(dá)等厚度BTO薄膜的3.6-4.5倍，且隨對稱超晶格組分厚度的減小而增大。
　　(6)運(yùn)用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)，計算了“PZT外延鐵電薄膜--性基底”彈性耦合體的壓電系數(shù)隨異質(zhì)