PLD法制備BST鐵電薄膜及其性質(zhì)的研究.pdf

1、鈦酸鍶鋇(簡稱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)及其居里點溫度可依據(jù)Ba/Sr比值可調(diào)等特點，廣泛應用于微波可調(diào)諧器件、動態(tài)隨機存儲器、熱釋電紅外探測器等方面。隨著科技的發(fā)展，及大規(guī)模集成電路應用技術(shù)的發(fā)展和需要，BST鐵電薄膜材料因具備優(yōu)異的電學和光學性能，本應在應用領(lǐng)域中大展身手，卻因為薄膜制備技術(shù)上仍然無法達到領(lǐng)域內(nèi)所期望的高性能指標。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價值和需要。
　　 為了解決上述問題，使得鈦酸鍶鋇材料能夠得到更加廣泛的應用，本文主要研究了以下內(nèi)容并將研究結(jié)果簡單介紹如下：
　　 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，并通過改善工藝，如退火溫度，襯底選擇等，研究了這些工藝條件對薄膜的質(zhì)量和性能包括物性和電學性質(zhì)的影響。
　　 2．XRD圖譜表明衍射峰的相對強

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，襯底的選擇的確對薄膜的取向和結(jié)晶性能有很顯著的影響。
　　 3．AFM的測試結(jié)果表明，在LNO和Pt襯底基片上生

4、長的鈦酸鍶鋇薄膜均結(jié)晶良好，表面光滑，無針洞裂紋。在LNO襯底上生長的薄膜樣品，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薄膜的過程中，BST的微晶成核和動態(tài)生長的過程明顯對襯底的性質(zhì)存在依賴。
　　 4．XPS測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)中各元素的相應的化學態(tài)而存在，而AES測試的結(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．對所制備樣品進行了電學特性分析，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，會對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稱性。結(jié)果表明，介電特性的不對稱性是薄膜本身的性質(zhì)造成，而非加諸的電壓導致。而上下電極的不對稱

6、性，會加重其不對稱性，為改善這一點，BST薄膜的上下電極均采用鉑金電極后，顯著改善了不對稱性(薄膜的介電不對稱率由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。在本文的電學測試中，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。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，需要對薄膜的生長工藝和薄膜結(jié)構(gòu)進行改進。
　　 8．對于鈦酸鍶鋇薄膜的鐵電性也進行了測試和研究。在8V的測試電壓下，電場強度約為400kv/cm，此時LNO上的樣品的剩余極化