高度取向鈮酸鉍鈣薄膜的制備及其構(gòu)效關(guān)系的研究.pdf

1、在器件向微型化和集成化方向發(fā)展的要求下，鐵電薄膜因具有良好的鐵電性、壓電性、熱釋電性等物理特性，在微電子學、光電子學和微機電系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。鉍層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵電薄膜因具有高抗疲勞特性、低老化速率、高居里溫度等特點在高溫高頻領(lǐng)域有很大應用潛力。然而，鉍層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵電材料特殊的層狀結(jié)構(gòu)（a≈b＜＜c），使晶粒方向調(diào)整較為困難，薄膜傾向于沿c軸方向生長，而極化卻主要存在于a-b面內(nèi)，這種極化方向和生長方向的矛盾導致此類結(jié)構(gòu)的陶瓷

2、鐵電極化和壓電活性較低。
　　CaBi2Nb2O9(CBNO)作為一種典型的鉍層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵電體，是由(CaNb2O7)2-層與(Bi2O2)2+層在c軸方向上交替生長得到。CBNO薄膜，居里溫度高達943℃，在高溫鐵電壓電領(lǐng)域有非常大的發(fā)展前景。但在薄膜器件的實用化過程中，還需要解決其極化強度低，壓電系數(shù)低等問題。
　　本課題的主要研究內(nèi)容是從應變工程的角度出發(fā)，結(jié)合晶格匹配理論，對薄膜的取向以及應力狀態(tài)進行調(diào)控，并采用射

3、頻磁控濺射的方法制備高度取向的CBNO薄膜。研究應變狀態(tài)，基體取向，薄膜厚度，底電極厚度，降溫氣氛，沉積溫度和緩沖層對薄膜的晶體結(jié)構(gòu)，微觀形貌以及電學性能的影響，進而提高CBNO薄膜的介電、鐵電及壓電性能，最終在Si基體上實現(xiàn)CBNO薄膜的中低溫制備。通過本研究，取得以下成果:
　　1.CBNO薄膜的應變調(diào)控生長
　　(1)在MgO基體上應變調(diào)控生長(200)/(020)擇優(yōu)取向的CBNO薄膜。CBNO薄膜晶粒在生長過程中受

4、到界面能和彈性能的共同影響，c軸取向的晶粒(c軸晶粒）外延生長，a軸取向的晶粒(a軸晶粒）從c軸晶粒的附近生長。
　　(2)在MgO(100)、(110)單晶基體上生長CBNO薄膜，利用面內(nèi)拉伸應力，改善其介電性能。因a軸晶粒及與a軸夾角較小的其他取向晶粒含量的增多，兩者的剩余極化強度提高顯著(Pr～13μC/cm2)。
　　(3) CBNO薄膜的電滯回線均發(fā)生了收縮和傾轉(zhuǎn)，較為細長。用優(yōu)化的肖特基模型對薄膜漏電流密度曲線進

5、行擬合，研究發(fā)現(xiàn)薄膜中存有高濃度的空間電荷。
　　(4)增大CBNO薄膜厚度，其介電性能得到優(yōu)化。外加電場為2750 kV/cm時，400 nm CBNO薄膜的飽和極化強度為90μC/cm2，對應的儲能密度為86.8J/cm3，為CBNO薄膜在儲能應用方面打開了新思路。
　　2.CBNO薄膜的取向生長
　　(1)分別在YSZ(100)基體和以YSZ作為緩沖層的Si(100)基體上生長具有a軸擇優(yōu)取向的CBNO薄膜。

6、r>　　(2)以YSZ作為緩沖層，在Si(100)基體上生長的CBNO薄膜的介電和鐵電性能顯著提高。由于其介電常數(shù)高，剩余極化強度大，以及Si單晶基體較大的泊松應變，使得CBNO薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)的壓電系數(shù)d33(～30 pm/V)提高明顯。
　　3.CBNO薄膜的中低溫制備
　　(1)鍍膜溫度分別為450℃、500℃、600℃，在Si(100)基體上制備了結(jié)晶性良好且為(115)擇優(yōu)取向的CBNO薄膜，鍍膜溫度為500℃、600