鐵電薄膜應(yīng)力的X射線衍射表征與研究.pdf

1、鐵電塊材因其具有可將電信號、機(jī)械信號和熱信號之間相互轉(zhuǎn)換的特征而在通信、導(dǎo)航、精密測量、信息存儲等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但是這些鐵電塊材器件往往由于相對較大的尺度、較低的斷裂韌性和較小的應(yīng)變而使其應(yīng)用受到限制。隨著微電子技術(shù)與集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們需要將具有大塊鐵電材料的性能的薄膜材料利用現(xiàn)代復(fù)合技術(shù)將不同功能的微尺度材料復(fù)合到一塊集成板上，構(gòu)成具有各種優(yōu)異性能的復(fù)合材料體系。通常薄膜材料具有比其塊材更高的能量密度、更大的應(yīng)變能力以

2、及更快的響應(yīng)時(shí)間。因此，鐵電材料的性能與制備的研究是目前國際上廣為關(guān)注的重要課題之一。 然而鐵電薄膜在制備過程中會經(jīng)歷一個(gè)由高溫到低溫的過程，薄膜與基片之間存在著晶格失配、熱失配等，薄膜中必然存在一定的殘余應(yīng)力。薄膜中的殘余應(yīng)力可能會造成薄膜的開裂、表面形成小丘凸起或翹曲，導(dǎo)致鐵電薄膜器件失效。另一方面，如果人們能夠?qū)Ρ∧?yīng)力的產(chǎn)生機(jī)制有較深刻全面的理解，就可能通過適當(dāng)?shù)闹苽涫侄蝸砝帽∧づc基片間的應(yīng)變效應(yīng)來調(diào)制和提高薄膜的性能

3、。因此，鐵電薄膜中的應(yīng)力研究是關(guān)于鐵電薄膜的制備和性能研究的重要內(nèi)容。 本文首先在引言部分對鐵電薄膜的應(yīng)用背景、制備方法以及目前鐵電薄膜內(nèi)殘余應(yīng)力的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了評述。基于此，提出了本文的選題依據(jù)，即研究鐵電薄膜中的殘余應(yīng)力是基于“鐵電薄膜的重要應(yīng)用背景和殘余應(yīng)力對鐵電薄膜性能的可能影響以及目前鐵電薄膜中殘余應(yīng)力研究的不足”。隨后對目前常用的鐵電薄膜應(yīng)力測試方法進(jìn)行了回顧與比較，由于X射線衍射的無損檢測特性以及較高的精度，選擇了

4、X射線衍射作為鐵電薄膜應(yīng)力表征的主要手段。 本文的重點(diǎn)是利用雙位向、sin2ψ、高分辨倒易空間圖三種不同的X射線衍射應(yīng)力測試方法分別對高度織構(gòu)Pt/Ti電極薄膜、多晶PZT鐵電薄膜、LaAlO3/BaTiO3外延鐵電超晶格薄膜中的應(yīng)力進(jìn)行了的表征，本文不僅利用X射線衍射應(yīng)力測量的傳統(tǒng)方法測量了PZT多晶鐵電薄膜中的殘余應(yīng)力，而且將雙位向、倒易空間圖的方法成功應(yīng)用于高度織構(gòu)Pt/Ti電極薄膜以及LaAlO3/BaTiO3外延鐵電超

5、晶格薄膜的應(yīng)力測量，并對薄膜中的應(yīng)力與薄膜的微結(jié)構(gòu)、以及性能之間的關(guān)系做了細(xì)致的討論，在對Pt/Ti電極薄膜的研究中發(fā)現(xiàn)Ti原子的擴(kuò)散會直接影響到Pt薄膜中的殘余應(yīng)力，而且對PZT薄膜的結(jié)晶取向起了一定影響作用。在對PZT鐵電薄膜中殘余應(yīng)力的研究中首次發(fā)現(xiàn)薄膜中的應(yīng)力狀態(tài)為三軸應(yīng)力而不是雙軸應(yīng)力，并且用氧空位理論成功解釋了薄膜中殘余應(yīng)力的成因。在對LaAlO3/BaTiO3外延鐵電超晶格薄膜的應(yīng)力研究中發(fā)現(xiàn)LaAlO3頂層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用可以