KNN外延薄膜的制備與性能研究.pdf

1、鐵電薄膜同時具有鐵電性與壓電性，因在微電子器件設(shè)計中擁有巨大的應(yīng)用潛力而倍受關(guān)注。鐵電薄膜已被提出可用于構(gòu)造鐵電電容器、鐵電場效應(yīng)管和非揮發(fā)性鐵電存儲器等電子器件，而高質(zhì)量鐵電薄膜的獲得是其性能研究與應(yīng)用的前提。隨著薄膜制備方法的改進(jìn)以及設(shè)備的改良，可以通過多種手段獲得高質(zhì)量的鐵電薄膜。其中，脈沖激光沉積（PLD)方法被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜氧化物薄膜的外延制備，因為采用該方法可以獲得與靶材組分相近的薄膜，且制備工藝參數(shù)簡單并可調(diào)，容易制備出高

2、質(zhì)量的薄膜。復(fù)雜氧化物薄膜的制備多采用該方法，通過優(yōu)化沉積氧壓和溫度可以獲得接近化學(xué)計量比的薄膜，且薄膜厚度可通過沉積時間精確控制。通過摻雜鈮酸鉀鈉（KNN)陶瓷壓電性能得到了顯著提升，有望發(fā)展成為傳統(tǒng)PZT壓電材料的替代者之一。摻雜改性后的KNN陶瓷可能同時擁有高的壓電常數(shù)，良好的熱穩(wěn)定性以及飽和的鐵電電滯回線。雖然持續(xù)有KNN薄膜性能研究的報道，但與KNN陶瓷研究相比，性能優(yōu)越的新KNN陶瓷，其相應(yīng)組分薄膜的研究比較缺乏且無法及時跟

3、進(jìn)。KNN薄膜制備過程中，由于A位堿金屬離子易揮發(fā)而偏離化學(xué)計量比導(dǎo)致次相的出現(xiàn)，這是目前復(fù)雜組分KNN薄膜制備中最大的困難。
　　本文采用脈沖激光沉積方法，研究了沉積氧壓和沉底溫度對KNN薄膜的介電和鐵電性能的影響，并通過電導(dǎo)模型進(jìn)行線性擬合，分析其主要電導(dǎo)機(jī)制隨電場強(qiáng)度增強(qiáng)的轉(zhuǎn)換規(guī)律。制備得到不同電極構(gòu)型的KNN薄膜電容器，研究了其介電性能、鐵電性能以及疲勞行為。
　　本論文共分為四章。
　　第一章本章主要分為三個

4、部分:首先，簡單概括了壓電體和鐵電體的概念以及一些重要常數(shù)的物理意義;其次，介紹了(KxNa1-x)NbO3陶瓷的組分相圖以及摻雜改良的研究現(xiàn)狀，通過摻雜KNN陶瓷壓電和鐵電性能可以得到提升，且具備更好的熱穩(wěn)定性;最后，詳細(xì)介紹了KNN薄膜的制備方法以及性能研究的進(jìn)展。
　　第二章在(001)SrTiO3(STO)單晶襯底上，采用氧壓優(yōu)化后的La0.7Sr0.3MnO3(LSMO)薄膜作為底電極，在不同氧壓和沉積溫度制備得摻雜2w

5、t％ MnO2的0.95(K0.49Na0.49Li0.02)(Nb0.8Ta0.2)O3-0.05 CaZrO3（KNN）薄膜。接著利用XRD和 SEM對KNN薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，分析沉積氧壓和溫度對KNN薄膜結(jié)晶性的影響。然后測試并分析了沉積氧壓和溫度對KNN薄膜介電和鐵電性能的影響，最優(yōu)沉積參數(shù)為35 Pa和680℃。最后我們對薄膜的漏電流采用不同的電導(dǎo)機(jī)制進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果表明薄膜隨著電場增強(qiáng)，歐姆接觸、SCLC和PF依次成為主要

6、的電導(dǎo)機(jī)制。
　　第三章采用LSMO、La0.07Sr0.93SnO3(LSSO)和摻Nb的STO(Nb∶STO)為底電極，分別制備得高質(zhì)量的Pt/KNN/Nb∶STO、Pt/KNN/LSSO/STO、Pt/KNN/LSMO/STO和Pt/KNN/LSSO/LAST電容器。KNN電容器的介電和鐵電性質(zhì)研究表明，底電極為LSMO的電容器存在較大的介電損耗，但卻擁有更大的極化強(qiáng)度。其中，在Pt/KNN/LSMO/STO電容器中可獲得高