外延鈣鈦礦薄膜鐵電相變厚度效應的唯象理論分析.pdf

1、PbTiO3(PT)和BaTiO3(BT)外延薄膜是一種典型的鈣鈦礦鐵電材料，被廣泛應用于微電子和光電子產(chǎn)品中，如：非揮發(fā)性鐵電存儲器、動態(tài)存儲器、薄膜傳感器、微波設備和紅外探測器等。本文在朗道-金茲堡-德文希爾(LGD)唯象理論的基礎上，研究了表面效應和退極化場效應對PbTiO3和BaTiO3外延薄膜相變及極化、介電等物理性質(zhì)的影響，主要研究結(jié)果如下：
　　1.表面效應作用下，PbTiO3薄膜表面處的極化變小，薄膜中心處的極化卻

2、不受影響保持不變。對較厚的PbTiO3薄膜而言，表面效應的作用可以被忽略；但對于PbTiO3超薄膜，表面效應作用明顯。表面效應會降低相變溫度，使PbTiO3超薄膜在膜厚低于某臨界厚度時，鐵電性完全消失，出現(xiàn)所謂的尺寸驅(qū)動的鐵電相－順電相轉(zhuǎn)變，類似于傳統(tǒng)的溫度驅(qū)使的鐵電相變。模擬計算結(jié)果顯示：室溫時SrTiO3襯底上的 PbTiO3超薄膜在梯度能量系數(shù)為g11=3.35×10-9(Jm3/C2)和g11=3.5×10-10(Jm3/C2)

3、時的模擬計算得出臨界厚度分別為2.0nm和0.4nm，與Fong等[57-58]實驗得出的臨界厚度值為1.2nm非常接近。
　　2.表面效應和退極化場同屬于薄膜的尺寸效應范疇之內(nèi)。薄膜較厚時，其表面效應可忽略不計，但退極化場作用明顯，薄膜的各種物理性質(zhì)由溫度、應變效應和退極化場決定。退極化場和表面效應均存在時，退極化場起主導作用，會極大地抑制PbTiO3超薄膜沿膜厚方向的極化，抑制鐵電相C相。退極化場提高薄膜的自由能F，降低了相變

4、溫度，且提高了其鐵電性存在的臨界厚度。退極化場會使薄膜中心處的極化稍微變小，表面處的極化略微增大，極化空間分布線變得平緩一些，使薄膜膜厚方向的極化變得更加均勻，與表面效應的作用相悖。
　　3.尺寸效應對BaTiO3薄膜物理性質(zhì)的影響類似于對PbTiO3薄膜的影響。退極化場對BaTiO3薄膜極化的抑制作用強于表面效應。在有或無退極化場條件下BaTiO3薄膜的居里溫度分別是1105oC和873oC。結(jié)果表明退極化場存在時的模擬結(jié)果更接