外延鈣鈦礦薄膜鐵電相變厚度效應(yīng)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(yīng)用于微電子和光電子產(chǎn)品中，如：非揮發(fā)性鐵電存儲(chǔ)器、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器、薄膜傳感器、微波設(shè)備和紅外探測(cè)器等。本文在朗道-金茲堡-德文希爾(LGD)唯象理論的基礎(chǔ)上，研究了表面效應(yīng)和退極化場(chǎng)效應(yīng)對(duì)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(yīng)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(duì)較厚的PbTiO3薄膜而言，表面效應(yīng)的作用可以被忽略；但對(duì)于PbTiO3超薄膜，表面效應(yīng)作用明顯。表面效應(yīng)會(huì)降低相變溫度，使PbTiO3超薄膜在膜厚低于某臨界厚度時(shí)，鐵電性完全消失，出現(xiàn)所謂的尺寸驅(qū)動(dòng)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(jì)算結(jié)果顯示：室溫時(shí)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(shí)的模擬計(jì)算得出臨界厚度分別為2.0nm和0.4nm，與Fong等[57-58]實(shí)驗(yàn)得出的臨界厚度值為1.2nm非常接近。
　　2.表面效應(yīng)和退極化場(chǎng)同屬于薄膜的尺寸效應(yīng)范疇之內(nèi)。薄膜較厚時(shí)，其表面效應(yīng)可忽略不計(jì)，但退極化場(chǎng)作用明顯，薄膜的各種物理性質(zhì)由溫度、應(yīng)變效應(yīng)和退極化場(chǎng)決定。退極化場(chǎng)和表面效應(yīng)均存在時(shí)，退極化場(chǎng)起主導(dǎo)作用，會(huì)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(chǎng)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(chǎng)會(huì)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(yīng)的作用相悖。
　　3.尺寸效應(yīng)對(duì)BaTiO3薄膜物理性質(zhì)的影響類似于對(duì)PbTiO3薄膜的影響。退極化場(chǎng)對(duì)BaTiO3薄膜極化的抑制作用強(qiáng)于表面效應(yīng)。在有或無(wú)退極化場(chǎng)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(chǎng)存在時(shí)的模擬結(jié)果更接