鈣鈦礦型鐵電薄膜微觀結(jié)構(gòu)與電機械性能的關系探討.pdf

1、鈣鈦礦型(ABO3)鐵電薄膜是電子工業(yè)中重要的功能型器件的原材料來源之一，其優(yōu)異的鐵電、壓電、熱釋電等特性衍生出來各種驅(qū)動器與傳感器，如:存儲器、RF-MEMS開關、超聲馬達和紅外探測器等。能夠?qū)崿F(xiàn)來自外界的機械刺激與電能之間的轉(zhuǎn)換或利用電能實現(xiàn)相應的機械響應與控制。鐵電薄膜的這些特點使得其在大數(shù)據(jù)、移動計算、自動化控制等多個核心與新興領域的應用前景愈發(fā)廣闊。
　　目前微電子工業(yè)中常用的鐵電薄膜基電子器件大多為單一成分的多晶結(jié)構(gòu)，

2、其自身的剩余極化強度小、電學性能差，無法體現(xiàn)薄膜小型化、易集成的優(yōu)勢，嚴重制約了ABO3型鐵電薄膜在微電子工業(yè)的廣泛應用。鐵電薄膜的電學性能具有顯著的各項異性，制備擇優(yōu)取向甚至外延ABO3型鐵電薄膜，并在薄膜生長過程中對其進行應力調(diào)控和相調(diào)控，觀察其微觀結(jié)構(gòu)在應力與電場作用下的演變過程，研究其微觀結(jié)構(gòu)對電學性能的影響。這些研究對ABO3型鐵電薄膜在理論與實際應用方面均具有十分重要的意義與價值。
　　在實驗研究方面，本文選用鈦酸鹽系

3、鈣鈦礦鐵電材料，利用多靶射頻磁控濺射制備技術沉積取向生長/外延鐵電薄膜，研究薄膜中相結(jié)構(gòu)與疇結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律，揭示其微觀結(jié)構(gòu)與電學性能之間的關系。本文具體研究內(nèi)容如下:
　　(1)基于彈性疇理論分析晶格失配帶來異相多疇形成過程。在不同基體上制備外延BZT鐵電薄膜，分別利用XRD、TEM、SHG和AFM等技術觀察并分析薄膜中異相多疇結(jié)構(gòu)的特征與演變過程，并將其與理論分析的結(jié)果一一印證。采用不同的電學測試平臺分別表征其鐵電、介電性能隨溫

4、度、頻率、偏壓電場的變化規(guī)律。結(jié)構(gòu)分析與電學性能測試結(jié)果表明:T/R異相疇與R相高階疇的形成不僅促進了BZT薄膜儲能密度的提高，而且對其儲能效率的提升也有很大的貢獻。
　　(2)利用雙靶射頻磁控共濺射技術在Pt/Ti/Si上生長單軸組分梯度變化的(1-x)BaTiO3-xBaSnO3(BT-xBS，0≤x≤0.20)鈣鈦礦薄膜，薄膜為(101)-取向生長且電機械性能隨組分的變化而發(fā)生改變。組分在x=0.028時，薄膜的相對介電常數(shù)

5、存在極大值(925)，在此組分附近其橫向壓電系數(shù)也存在極大值并在1.5C/cm2-1.9C/cm2之間變化，此橫向壓電系數(shù)與外延(001)取向的鈦酸鋇薄膜相比，約為其三倍左右。該結(jié)果表明BT-xBS薄膜作為壓電MEMS器件的無鉛化替代品有著很好的前景。
　　(3)選取(100)-MgO基體，以Pt/SRO為底電極，制備外延Pb(Zr0.53Ti0.47)O3薄膜。采用“小信號”e31，f測試方法記錄90°與180°疇的動態(tài)反轉(zhuǎn)過程