鐵電薄膜殘余應力X射線衍射測試方法研究.pdf

1、鐵電薄膜因其異于相同塊體材料的電學、光學和光電子學性能,在微電子、微機電系統(tǒng)(MEMS)、信息存儲等領域得到日益廣泛的應用,是當前新型功能材料的一個重要研究對象,人們對鐵電薄膜的制備、結構及其性能進行了大量卓有成效的研究。在鐵電薄膜的制備過程中,薄膜內部的固有缺陷、鐵電材料的相變、膜-基間的熱失配和晶格失配等因素,使得鐵電薄膜內不可避免地產生殘余應力,因此對鐵電薄膜殘余應力的研究是這一領域中一個重要課題。本文討論了薄膜殘余應力的幾種常用

2、測試方法及其在鐵電薄膜殘余應力測量上的應用現(xiàn)狀,其中重點關注了基于X射線衍射測量薄膜殘余應力的方法。在此基礎上本文針對鐵電薄膜的特性,提出了兩種新的用X射線衍射測量鐵電薄膜殘余應力的方法模型,且分別用其對PZT以及BNT鐵電薄膜進行了殘余應力的分析測算。結論主要包括:
　　1.鐵電薄膜由于其特有的各向異性、壓電效應和力電耦合效應的存在,直接應用基于各向同性材料的傳統(tǒng)sin2Ψ法測量其殘余應力必然存在一定的測量誤差。測量鐵電薄膜殘余

3、應力必須2考慮其特有的各向異性、壓電效應和力電耦合,對于多晶薄膜,還必須考慮薄膜的取向分布對宏觀應力的影響;
　　2.單胞應力模型是一種從殘余應力的微觀機制出發(fā)計算鐵電薄膜界面及表面殘余應力的創(chuàng)新方法,其特點是:從殘余應力的源頭和微觀機制出發(fā),并考慮鐵電材料的各向異性和壓電效應,從理論上計算出薄膜-基底界面單胞的殘余應力,并引入多晶薄膜的取向織構情況,通過由X射線衍射測量所獲得的薄膜取向情況,對單胞應力值作細觀力學的取向平均,從單

4、胞的殘余應力計算出薄膜界面的平均殘余應力,最后通過薄膜應力沿厚度方向分布的經驗公式,得到薄膜表面的應力值。通過對多組樣品的測試計算,該方法在表面應力的結果上與傳統(tǒng)方法有較好的一致性,且該方法能計算傳統(tǒng)方法不能測量計算的薄膜界面的殘余應力。
　　3.離面應變模型是一種簡便的測量計算多晶鐵電薄膜表面殘余應力的創(chuàng)新方法,同樣考慮了多晶鐵電薄膜的各向異性、壓電效應和力電耦合,以及多晶薄膜的取向情況。該方法通過分析由X射線測量結果可以直接得