熱釋電機(jī)理及BST薄膜性能研究.pdf

1、非致冷焦平面陣列(UncooledFocalPlaneArray，UFPA)的熱成像系統(tǒng)具有高密度、高性能、低成本、低功耗及小型化的特點(diǎn)，是目前紅外熱成像領(lǐng)域中最具前途的發(fā)展方向。熱釋電材料是紅外焦平面陣列的關(guān)鍵技術(shù)之一，因此，這方面材料的理論和性能是當(dāng)今材料科學(xué)和微電子科學(xué)領(lǐng)域的研究前沿。 本文在熱釋電材料熱釋電理論和BaxSr1-xTiO3(BST)熱釋電薄膜方面主要進(jìn)行了研究，通過(guò)傳統(tǒng)鐵電材料的熱力學(xué)模型，推導(dǎo)了熱釋電晶體

2、的熱釋電方程，并對(duì)實(shí)際晶體進(jìn)行模擬，得出了相應(yīng)的擬合結(jié)果，并對(duì)相應(yīng)的物理參數(shù)進(jìn)行了描述；在鐵電材料熱力學(xué)理論基礎(chǔ)上，引入熵值，在愛(ài)因斯坦振動(dòng)理論基礎(chǔ)上，通過(guò)替代，建立了熱釋電晶體的贗熱力學(xué)模型，并對(duì)TGS系列晶體進(jìn)行擬合，得出的結(jié)果比傳統(tǒng)熱力學(xué)模型更接近實(shí)際熱釋電曲線；在設(shè)定鐵電材料的偶極子和非偶極子所建立的熱力學(xué)平衡基礎(chǔ)上，引入傳統(tǒng)的熱力學(xué)概念，并設(shè)定熱釋電薄膜為三明治結(jié)構(gòu)，建立了熱釋電薄膜的熱力學(xué)平衡模型，并對(duì)實(shí)際熱釋電薄膜Pb0.

3、95Er0.05(Zr0.52Ti0.48)O3(PEZT)，Ba0.8Sr0.2TiO3(BST80)，Ba0.66Sr0.34TiO3(BST66)和Sr0.255La0.03Ba0.7Nb1.95Ti0.05O5.95/2(SLBNT)等進(jìn)行擬合，擬合的結(jié)果與實(shí)際的熱釋電曲線一致，并對(duì)熱力學(xué)平衡模型的物理參數(shù)進(jìn)行了比較和說(shuō)明；采用多工位平面磁控濺射裝置制備BST薄膜，研究了650℃下退火的薄膜介電—溫度特性、電滯回線等性能，剩余極

4、化和飽和電場(chǎng)分別為4.1μC/cm2和60.9kV/cm，晶粒尺寸可達(dá)80nm左右，居里點(diǎn)在19℃附近。采用sol-gel法準(zhǔn)備了BST薄膜，研究了溶膠濃度及薄膜在不同溫度、不同退火時(shí)間對(duì)BST薄膜表面形貌的影響，得出了適宜的溶膠濃度。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在長(zhǎng)時(shí)間退火下，BST薄膜的表面出現(xiàn)比較大的島狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對(duì)BST薄膜的性能有不利的影響；通過(guò)BST薄膜的介電—溫度特性，計(jì)算得出了這兩種方法制備的BST薄膜的熱釋電系數(shù)—溫度曲線，并應(yīng)用熱力

5、學(xué)平衡模型進(jìn)行了模擬，得出了模型中各參數(shù)的數(shù)值；研究了Sn摻雜BST薄膜，Sn的摻入并未使BST薄膜晶粒尺寸受到影響，但介電常數(shù)明顯降低。Sn離子存在多種變價(jià)離子，且占據(jù)ABO3的B位，因此對(duì)空位有一定的釘扎作用，改善了BST薄膜的電性能。研究了La摻雜BST薄膜，La的摻入明顯降低了BST薄膜的晶粒尺寸，且介電常數(shù)也降低，削弱了BST薄膜的介電性能，但漏電流性能有所提高。進(jìn)一步研究了BST與La摻雜BST交替生長(zhǎng)的BST/BSLaT/

6、BST薄膜，明顯增大了晶粒尺寸，兼有BST薄膜的介電性能和La摻雜BST薄膜的漏電流特性；通過(guò)BST薄膜的介電—溫度特性，計(jì)算得出了這三種方法制備的BST薄膜的熱釋電系數(shù)—溫度曲線，并應(yīng)用熱力學(xué)平衡模型進(jìn)行了模擬，得出了模型中各參數(shù)的數(shù)值；在Pt/Ti/SiO2/Si襯底上制備的BST薄膜，經(jīng)退火后發(fā)現(xiàn)Pt電極的Pt原子向BST薄膜發(fā)生擴(kuò)散，并存在一定的擴(kuò)散深度。在BST薄膜和Pt層界面處主要是以體擴(kuò)散為主，而在較遠(yuǎn)的距離發(fā)生晶界擴(kuò)散。

7、Pt原子在BST薄膜中的擴(kuò)散嚴(yán)重影響了BST薄膜的電性能；研究了Sol—gel法制備LNO電極工藝和LNO薄膜的性能，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在700℃下退火的LNO薄膜在(200)面高度定位，電阻率和方塊電阻分別達(dá)到0.0037Ω·cm和76Ω/□，完全適用于BST薄膜的底電極；研究了BST薄膜和Sn摻雜BST薄膜在LNO底電極上的沉積，通過(guò)與在Pt/Ti/SiO2/Si襯底上沉積的BST薄膜比較發(fā)現(xiàn)：BST薄膜和BSTS薄膜的介電常數(shù)和介電損耗