KTN薄膜的制備與PLD的機(jī)理研究.pdf

1、華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文摘要KTal_Nb.03(KTN)薄膜材料是一種非常有應(yīng)用前景的鐵電材料，它具有良好的電光性能、非線性光學(xué)性能和熱釋電性能。但該薄膜的制備至今仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，距離實(shí)際應(yīng)用還有一段路程。其原因主要在于KTN薄膜的制備過程中，成膜溫度高，界面反應(yīng)劇烈鉀元素?fù)]發(fā)，薄膜多孔，成分偏離且導(dǎo)致致密性差薄膜組分不均勻沉積速率低，制備時(shí)間長等等。因此優(yōu)化工藝條件，尋找適當(dāng)?shù)闹苽浼夹g(shù)，尋求克服上述缺點(diǎn)的途徑，以制備高質(zhì)量的K

2、TN薄膜，是非常有價(jià)值的工作。脈沖激光沉積技術(shù)(PulsedLaserDeposition，簡稱PLD技術(shù))，是近年來一種發(fā)展極為迅速、具有多種優(yōu)點(diǎn)的薄膜制備技術(shù)。我們巧妙地將PLD技術(shù)與其它工藝結(jié)合起來，制備出高質(zhì)量的KTN薄膜材料。同時(shí)，我們以極大的精力，結(jié)合所積累的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，將重點(diǎn)放在PLD機(jī)理的研究，尤其是在等離子體的膨脹的演化規(guī)律、燒蝕過程中有關(guān)規(guī)律，以及薄膜沉積過程中薄膜特性與激光工藝參數(shù)之間的關(guān)系的研究。特別需要指出的是，

3、在我們的研究中，是將PLD各個(gè)流程階段作為一個(gè)統(tǒng)一過程考慮:燒蝕階段的結(jié)果作為等離子體膨脹階段的初始邊界條件:又將等離子體膨脹演化的結(jié)果作為薄膜沉積過程的輸入信息?？梢哉f，我們的工作初步建立起一個(gè)較為合理的PLD物理動力學(xué)的框架。在實(shí)驗(yàn)工作中，采用溶膠一凝膠法與氣氛燒結(jié)工藝相結(jié)合的工藝，制備出了高質(zhì)量的KTN陶瓷靶材，并采用PLD技術(shù)成功地在單晶Si(100)襯底上沉積出了大面積、高取向、厚度較均勻、保組分性好的透明KTN薄膜，探索出制

4、備該薄膜的優(yōu)化工藝參數(shù)。其中，采用溶膠一凝膠法，能使粉料高均勻度、達(dá)分子級混合，保證粉料中擔(dān)、泥比例的均勻，提高薄膜組分的均勻度采用氣氛燒結(jié)工藝，燒結(jié)時(shí)通人K2O和氧氣氣氛，能消除陶瓷內(nèi)的氣孔，提高了致密性。在機(jī)理的研究方面，以我們已有的薄膜材料制備實(shí)驗(yàn)資料為基礎(chǔ)，參照國內(nèi)外PLD薄膜制備的實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)和有關(guān)PLD局部過程理論研究工作，對PLD技術(shù)的各個(gè)階段的物理現(xiàn)象，其中包括脈沖激光燒蝕塊靶產(chǎn)生的雙動態(tài)界面、等離子體的發(fā)射和膨脹、等離子體

5、沉積成膜諸階段的演化，進(jìn)行了比較深入細(xì)致地研究。I華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文AbstractKTa1.Nb.03(KTN)thinfilmisakindofferroelectricmaterialswhichcanbeappliedwidelyinthefuture.Ithasmanygoodpropertiessuchasphotoelectricitypyroelectricitynonlinearopticalanddielect

6、riccharacteristics.HoweverthepreparationofKTNthinfilmisstillinexperimentalstagemanyapplicationsofKTNarestillnotdiscovededpresently.Manyexperimentaldifficultieshavenotbeenovercomesuchasahighsubstratetemperatureresultingin

7、seriousinterfaceinteractionthevolatilizationofKleadingtoporousfilmsandcompositionaldeviationsfromstoichiometricvaluesandlowdepositionvelocityleadingtoalongdepositiontime.Thereforeinordertoovercomeabovedificultiesandprepa

8、rehighqualityKTNthinfilmsitisverysignificanttooptimizetechnicsparametersandfindoutanappropriatepreparationmethod.Pulsedlaserdepositionmethodisanewthinfilmpreparationtechnologywithmanyadvantagesandithasbeendevelopingveryq

9、uickly.CombinedPLDtechnologywithothertechnicshighqualityKTNthinfilmsareprepared.InadditionbasedonaccumulatedexperimentalexperiencesourresearchesemphasisislaidontheoreticalmechanismonPLDtechnology.Inparticulartherelations

10、hipofthinfilmspropertiesandlaserparametersablationrulesandexpansionlawsofplasmaarediscussedindetail.ItmustbenotedthateverystagesofPLDprocessesareconsideredasauniformwholenamelyresultsoftheablationstageareutilizedasthebou

11、ndaryconditionsofexpansionstagesandplasmaevolvementlawsareusedtoinvestigatethedepositionprocessofthinfilms.InfactaphysicaldynamicframeofPLDisestablishedinourwork.InourexperimentsKTNsupertinypowderandhighqualityceramicsar

12、epreparedbySolGelmethodandatmospheresinteredrespectivelythenlargesizeeventhicknesshighorientationandtransparentKTNthinfilmsarefirstlypreparedonSi(100)substrate.byPLDandasetofoptimizedparametersisalsoobtained.Becauseofuti