PLD法制備BST鐵電薄膜及其性質(zhì)的研究.pdf

1、鈦酸鍶鋇(簡(jiǎn)稱BST)是一種鐵電/介電性能十分優(yōu)越的材料，因其具有低漏導(dǎo)電流密度、低介質(zhì)損耗、低介電常數(shù)溫度、高介電常數(shù)、熱釋電系數(shù)及其居里點(diǎn)溫度可依據(jù)Ba/Sr比值可調(diào)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于微波可調(diào)諧器件、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器、熱釋電紅外探測(cè)器等方面。隨著科技的發(fā)展，及大規(guī)模集成電路應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展和需要，BST鐵電薄膜材料因具備優(yōu)異的電學(xué)和光學(xué)性能，本應(yīng)在應(yīng)用領(lǐng)域中大展身手，卻因?yàn)楸∧ぶ苽浼夹g(shù)上仍然無(wú)法達(dá)到領(lǐng)域內(nèi)所期望的高性能指標(biāo)。這一定程度上

2、阻礙了相關(guān)的科技的發(fā)展，因此，BST鐵電材料的性能改善的研究工作有很高的研究?jī)r(jià)值和需要。
　　 為了解決上述問(wèn)題，使得鈦酸鍶鋇材料能夠得到更加廣泛的應(yīng)用，本文主要研究了以下內(nèi)容并將研究結(jié)果簡(jiǎn)單介紹如下：
　　 1．采用脈沖激光沉積的方法，在不同的襯底上制備了BST薄膜樣品，并通過(guò)改善工藝，如退火溫度，襯底選擇等，研究了這些工藝條件對(duì)薄膜的質(zhì)量和性能包括物性和電學(xué)性質(zhì)的影響。
　　 2．XRD圖譜表明衍射峰的相對(duì)強(qiáng)

3、度隨著沉積溫度的增加而增加，隨著沉積溫度的上升，薄膜的生長(zhǎng)質(zhì)量和結(jié)晶狀況得到改善。而在鉑金襯底和鎳酸鑭襯底上制備的薄膜樣品均良好結(jié)晶，呈現(xiàn)出不同的取向。在LNO襯底和Pt襯底上沉積的BST薄膜的晶粒尺寸分別為70nm和50nm。使用與鈦酸鍶鋇材料晶格結(jié)構(gòu)類似的鎳酸鑭薄膜作為襯底，薄膜的晶粒尺寸有明顯的增加。結(jié)果也表明，襯底的選擇的確對(duì)薄膜的取向和結(jié)晶性能有很顯著的影響。
　　 3．AFM的測(cè)試結(jié)果表明，在LNO和Pt襯底基片上生

4、長(zhǎng)的鈦酸鍶鋇薄膜均結(jié)晶良好，表面光滑，無(wú)針洞裂紋。在LNO襯底上生長(zhǎng)的薄膜樣品，具備更平滑的表面形貌，更大的晶粒尺寸，以及更佳的結(jié)晶狀況。在激光沉積法制備BST薄膜的過(guò)程中，BST的微晶成核和動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)的過(guò)程明顯對(duì)襯底的性質(zhì)存在依賴。
　　 4．XPS測(cè)試表明采用脈沖激光沉積工藝所制備的BST薄膜中Ba、Sr、Ti、0元素都以鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中各元素的相應(yīng)的化學(xué)態(tài)而存在，而AES測(cè)試的結(jié)果表明樣品出現(xiàn)了c元素的沾污，這是由于空氣中的碳元

5、素的污染造成的。
　　 5．對(duì)所制備樣品進(jìn)行了電學(xué)特性分析，包括CF特性，介電損耗特性，CV特性，PE曲線特性等。分析表明，薄膜樣品的介電特性受到頻率的影響明顯，尤其在高頻區(qū)域。而不同襯底的選擇，會(huì)對(duì)這一特性有明顯的影響。這和薄膜的微結(jié)構(gòu)，以及薄膜和電極間的過(guò)渡層的出現(xiàn)有關(guān)。
　　 6．本文中著重研究了BST薄膜的介電特性的不對(duì)稱性。結(jié)果表明，介電特性的不對(duì)稱性是薄膜本身的性質(zhì)造成，而非加諸的電壓導(dǎo)致。而上下電極的不對(duì)稱

6、性，會(huì)加重其不對(duì)稱性，為改善這一點(diǎn)，BST薄膜的上下電極均采用鉑金電極后，顯著改善了不對(duì)稱性(薄膜的介電不對(duì)稱率由50.38％減小至17.86％)。
　　 7．BST薄膜材料在微波器件的研制領(lǐng)域有著廣闊的前景。在本文的電學(xué)測(cè)試中，也著重研究了其介電可調(diào)諧性。結(jié)果表明，薄膜樣品的可調(diào)諧度隨著頻率的上升而一定程度上出現(xiàn)下降趨勢(shì)。且可調(diào)諧度受到底電極的影響較為明顯。在LNO底電極上沉積的薄膜表現(xiàn)出更優(yōu)良的可調(diào)諧度，在lOkHz和lOO

7、kHz下分別達(dá)到45.3％和39.5％，而沉積在Pt底電極上的薄膜的可調(diào)諧度均在30％左右，且隨頻率變化不大。薄膜樣品的可調(diào)諧度隨頻率的變化與之前薄膜樣品的C-F特性曲線相吻合。薄膜的微結(jié)構(gòu)和介電性能，直接影響了其可調(diào)諧性能。要制備出可調(diào)諧性良好的薄膜材料，需要對(duì)薄膜的生長(zhǎng)工藝和薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。
　　 8．對(duì)于鈦酸鍶鋇薄膜的鐵電性也進(jìn)行了測(cè)試和研究。在8V的測(cè)試電壓下，電場(chǎng)強(qiáng)度約為400kv/cm，此時(shí)LNO上的樣品的剩余極化