鈦酸鋇系鈣鈦礦結(jié)構(gòu)薄膜的制備和性能.pdf

1、鈦酸鋇系薄膜材料由于其豐富的物理性能及廣泛的應(yīng)用前景已成為功能材料與器件研究方面的熱點(diǎn)之一，研究核心就是將鈦酸鋇薄膜與半導(dǎo)體集成技術(shù)相結(jié)合，通過其鐵電、壓電、熱釋電、介電、電光及非線性光學(xué)等效應(yīng)，發(fā)揮其在信號存儲、轉(zhuǎn)換、調(diào)制、開關(guān)、傳感等應(yīng)用領(lǐng)域里的作用。由于納米材料的小尺寸效應(yīng)及表面效應(yīng)，薄膜表(界)面的晶格結(jié)構(gòu)、化學(xué)形態(tài)和電子態(tài)成為決定薄膜性能的重要因素，而這些因素又直接影響著鈦酸鋇系薄膜的實(shí)際應(yīng)用。本論文選擇鈦酸鋇及其摻雜鈦酸鋇薄

2、膜的溶膠-凝膠法制備、微結(jié)構(gòu)物理和性質(zhì)作為研究課題。主要工作如下： 1.用溶膠-凝膠法和快速退火工藝在SiO2/Si(111)基片上生長了鈣鈦礦結(jié)構(gòu)BaTiO3薄膜。用X射線光電子能譜技術(shù)(XPS)和角分辨X射線光電子能譜技術(shù)(ARXPS)研究了薄膜的表面化學(xué)態(tài)以及最頂層原子種類和分布狀況，結(jié)果顯示在熱處理過程中薄膜表面形成一層富含BaO的非計(jì)量鈦氧化物層，并且鋇-鈦原子濃度比隨著探測深度的增大而逐漸減小。 2.研究了熔

3、石英襯底上BaTiO3薄膜的光學(xué)透射譜，并利用透射譜計(jì)算出了不同退火溫度下BaTiO3薄膜所對應(yīng)的光學(xué)帶隙。發(fā)現(xiàn)BaTiO3多晶薄膜的光學(xué)帶隙大于文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)的單晶薄膜的光學(xué)帶隙，對于結(jié)晶性好的薄膜，其光學(xué)帶隙接近于單晶值，退火溫度越低，結(jié)晶性越差，與單晶的光學(xué)帶隙相差越大。這種差別主要是由量子尺寸效應(yīng)和薄膜中存在的無定形相引起的。 3.采用溶膠-凝膠技術(shù)在SiO2/Si(111)和熔石英襯底上制備了等價(jià)離子摻雜(Sr2+和Pb2+

4、)的BaTiO3薄膜，并研究了不同摻雜比例對BaTiO3薄膜結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響。結(jié)果表明：無論是摻鍶還是摻鉛，隨著摻雜量的增大，BaTiO3薄膜的結(jié)晶性都變得越來越好，衍射峰變得越來越尖銳，說明摻入鍶和鉛使樣品的晶化溫度降低。通過薄膜的光學(xué)透射譜計(jì)算出了摻雜BaTiO3薄膜的光學(xué)帶隙。在BaTiO3中摻入鍶，使BaTiO3薄膜的光學(xué)帶隙減小，這是因?yàn)楫?dāng)部分Ba2+被離子半徑較小的Sr2+取代時(shí)，引起晶胞體積收縮，最近鄰兩氧原子之間的間距減

5、小，進(jìn)而使價(jià)帶頂升高的結(jié)果。同時(shí)，在BaTiO3薄膜中摻入鉛，使BaTiO3的晶格常數(shù)a減小，晶格畸變度(c/a)增大。Raman光譜測試顯示：當(dāng)摻雜量達(dá)到0.4時(shí)，pb2+誘發(fā)了BaTiO3薄膜從贗立方相到四方相的相變發(fā)生。 4.采用溶膠-凝膠法在石英襯底上制備了具有良好結(jié)晶性的Ba1-xLaxTiO3系列薄膜，XRD測試表明隨著鑭摻雜量的增大，晶格常數(shù)先減小后增大，晶格畸變度δ逐漸減小。XPS測試表明樣品中存在Ti3+離子，