（凝聚态物理专业论文）pstt铁电薄膜的制备和性能研究.pdf

四川大学硕士毕业论文 p s t t 铁电薄膜的制备和性能研究 凝聚态物理专业 研究生：龚小刚指导教师：朱建国 钽钪酸铅p b ( s e l 2 t a l ，：2 ) 0 3 ( 简称p s d 是一种典型钙钛矿结构复合材料。 p s t 铁电薄膜是一种性能优良的热释电材料，与其他材料相比，具有较高 的热释电系数a 、高的电阻率p 和大的热释电材料探测器优值岛，虽然其 铁电、热释电性能很好，但由于p s t 居里点较低，大致在5 - 2 5 、且需要在 相当高的温度下0 5 0 0 c ) 才能合成致密、具有钙钛矿结构、性能良好的p s t 材料，因此，这个条件极大制约了p s t 材料的应用。如在p s t 中加入钛酸 铅( p t ，其居里点约为4 9 0 。c ) ，形成具有符合钙钛矿结构的( 1 - x ) p s t - x p t 固 溶体，可以较大幅度地提高p s t 材料体系的居里点、降低其制备温度，从 而扩大p s t 材料体系的应用范围。 本论文采用了普通电子陶瓷法制备了纯钙钛矿的p s t t 靶材，用r f 磁 控溅射法制备了p s t t 铁电薄膜，并研究了衬底、基底温度、退火温度、退 火方式等工艺参数对其结构和性能的影响。同时也制备了p z t 8 0 、p z t 2 0 陶瓷靶，对p z t 8 0 、p z t 2 0 交替多层薄膜进行了部分研究，所得主要结论 如下： 1 、在l s c o p t t i s i 0 2 s i 上沉积的p s t t 薄膜为纯钙钛矿相，结构比 较致密。大气气氛下，分别在7 0 0 。c 、7 5 0 。c 快速退火2 m i n 的p s t t 薄膜样 品，为( 2 2 0 ) 高度取向。 2 、7 2 5 快速退火3 m i n 的p s t t 薄膜样品的剩余极化强度p f 为 l 四川大学硕士毕业论文 2 1 2 i _ t c e m 2 ，矫顽场最为5 9 3 5 k v e m 。介电常数和损耗分别为4 9 2 、0 0 0 4 6 。 3 、7 0 0 c 快速退火3 m i n 后的p s t t 薄膜样品，在偏压为1 5 v 时，漏电 流密度小于1 0 击a e r a 2 。7 2 5 快速退火3 m i n 后的p s t t 薄膜样品在偏压为 1 3 v 时，漏电流密度也接近1 0 4 e m 2 。 4 、在频率从0 5 1 5 0 k h z 时，四方相厚度靠和三方相厚度卉的比率d r d t 为1 ：3 的p z t 多层薄膜介电常数和损耗分别为3 2 8 ，o 0 0 9 8 ，其剩余极化强 度p ，为3 2 6 1 t c c m 2 。 关键词：p s t t ，铁电薄膜，磁控溅射，p z t ，铁电多层膜 四川大学硕士毕业论文 p r e p a r a t i o na n d c h a r a c t e r i z a t i o no fp s t t f e r r o e l e c t r i ct h i nf i l m s m a j o r ：c o n d e n s e dm a t t e rp h y s i c s p o s t g r a d u a t e ：x i a o g a n gg o n gs u p e r v i s o r ：j i a n g u oz h u l e a ds c a n d i u mt a n t a l i t ep b ( s c v 2 t a v 2 ) 0 3 ( p s t 、i sah i l do ft h et y p i c a l c o m p o s i t ep e r o v s k i t es t r u c t u r em a t e r i a l s c o m p a r e dt oo t h e rm a t e r i a l s ，p s t f e r r o e l e c t r i ct h i nf i l m sp o s s e s ss u p e r i o rp r o p e r t i e ss u c ha sh i g hp y r o e l e c t r i c c o e f f i c i e n ta ，h i g hr e s i s t i v i t ypa n db i gf i g u r e so fm e r i to fp y r o e l e c t r i cm a t e r i a l d e t e c t o r ，d t h o u g hi th a se x c e l l e n tf e r r o e l e c t r i ca n dp y r o e l e c t r i cp r o p e r t i e s ， h o w e v e r , p s t 谢t l ld e n s ep e r o v s k i t es t r u c t u r ea n dg o o dp r o p e r t i e sc a no n l yb e s y n t h e s i z e da n dp r e p a r e du n d e rq u i t eh i g ht e m p e r a t u r e ( 15 0 0 c ) ，a n dd u et oi t s l o wc u r i ep o i n t ( a p p r o x i m a t e l y 一5 - 2 5 。c ) ，t h ea p p l i c a t i o n so fp s th a db e e n s u b s t a n t i a l l yl i m i t e d i fl e a dt i t a n a t e ( p t ，i t sc u r r i et e m p e r a t u r eo f a b o u t4 9 0 c ) i sa d d e di n t op s tm a t e r i a l st of o r m ( 1 - x ) p s t - x p ts o l i ds o l u t i o nw i t hc o m p o s i t e p e r o v s k i t es t r u c t u r e ，i tc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v ec u r r i et e m p e r a t u r eo fp s t m a t e r i a ls y s t e m ，r e d u c ei t sp r e p a r a t i o nt e m p e r a t u r e ，a n dt h u se x t e n da p p l i c a t i o n s o f p s tm a t e r i a ls y s t e m i nt h ep a p e r , t h ec o m m o ne l e c t r o n i cc e r a m i c sm e t h o dw a se m p l o y e dt o p r e p a r ep u r ep e r o v s k i t ep s t tt a r g e ta n dr fm a g n e t r o ns p u t t e r i n gm e t h o dw a s e m p l o y e dt op r e p a r ep s t tf e r r o e l e c t r i ct h i nf i l m s t h e ne f f e c t so fp r o c e s s i n g p a r a m e t e r s s u c ha sd i f f e r e n ts u b s t r a t e s ，s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e ，a n n e a l i n g i i ! 四川大学硕士毕业论文 t e m p e r a t u r ea n da n n e a l i n gm e t h o do nt h ep r o p e r t i e so fp s t tt h i nf i l m sw e r e s t u d i e d a tt h es a m et i m e ，p z t s 0a n dp z t 2 0t a r g e t sw e r ea l s op r e p a r e d ，a n dt h e a l t e r n a t em u l t i p l a y e rf i l m so fp z t 8 0a n dp z t 2 0w e r ep a r t i a l l ys t u d i e d t h e m a j o rc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 p s t tt h i nf i l m sd e p o s i t e do nl s c o p t t i s i 0 2 s is h o wt h ep u r e p e r o v s k i t ep h a a n dr a t h e rd e n s e u n d e ra t m o s p h e r i cc o n d i t i o n s ，p s t tt h i n f i l ms a m p l e sa n n e a l e da t7 0 0 ca n d7 5 0 。cf o r2 m i nb yu s i n gr a p i dt h e r m o l a n n e a l i n g ，s h o w ( 2 2 0 ) h i g ho r i e n t a t i o n 2 p s t tt h i nf i l ms a m p l e sa n n e a l e da t7 2 5 。cf o r3 m i n , b yu s i n gr a p i d t h e r m o la n n e a l i n gh a v er e m a n e n tp o l a r i z a t i o np ro f2 1 2 p c ，e r a 2a n dc o e r c i v e f i e l de c o f 5 9 3 5k v c m ，p e r m i t t i v i t yo f 4 9 2a n dd i e l e c t r i cd i s s i p a t i o no f 0 0 0 4 6 3 p s t tt h i nf i l ms a m p l e sa n n e a l e da t7 0 0 。cf o r3 m i nh a v el e a kc u r r e n t d e n s i t yl e s st h a n1 0 + a c m 2a tb i a sv o l t a g eo f1 5 v ：p s t tt h i nf i l ms a m p l e s a n n e a l e da t7 2 5 * cf o r3 m i nh a v el e a kc u r r e n td e n s i t yc l o s et o1 0 r a c m 2a tb i a s v o l t a g eo f1 3 v 4 i nt h ef r e q u e n c yr e g i o nf r o m0 5 - 15 0k h z t h ep e r m i t t i v i t yd i e l e c t r i ca n d d i s s i p a t i o no fp z tm u l t i l a y e rf i l m sw i t hd # d ro f1 ：3 a r e3 2 8a n do 0 0 9 8 r e s p e c t i v e l y ；a n di t st h er e m a n e n tp o l a r i z a t i o np ti s3 2 6 1 x c c m 2 。 k e yw o r d s ：p s t t , f e r r o e l e c t r i ct h i nf i l m s ，r fm a g n e t r o ns p u t t e r i n g ，p z t , f e r r o e l e c t r i cm u l t i l a y e rf i l m s p s t f 铁电薄膜的结构和性能研究 声明 木人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得四川大学或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作厂明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取 得的，论文成果归四川大学所有，特此声明。 学生：龚小刚 签名l 毒心川 2 0 0 7 年f 月牛日2 0 0 7 年月垆日 四川大学硕士论文p s i t 铁电薄膜的制备和性能研究第一章绪论 第一章绪论 1 1 铁电材料的研究进展 铁电体是一类具有自发极化的介电晶体，且自发极化方向可以随外加 电场改变的材料。具有铁电性且厚度尺寸为数十纳米到数微米的膜材料叫 铁电薄膜，它具有良好的铁电性、压电性、热释电性、电光及非线性光学 等特性，可广泛应用于微电子学、光电子学、集成光学和微电子机械系统 等领域，成为国际上新型功能材料研究的一个热点。 自从1 9 2 0 年法国科学家v a l a s e k 发现罗息盐( 酒石酸钾钠 n a k c 4 h 4 0 6 4 h 2 0 ) 具有铁电性后，人们就正式开始研究铁电体。迄今为止， 铁电研究的历史大致分为四个阶段。第一阶段是1 9 2 0 - 1 9 3 9 年，在这一阶 段中发现了两种铁电结构，即罗息盐和k h 2 p 0 4 系列所具有的结构；第二阶 段是1 9 4 0 - 1 9 5 8 年，发现了第一个不含氢键且具有多个铁电相的铁电体 b a t i 0 3 ，这一阶段唯相理论开始建立并趋于成熟。第三阶段是1 9 5 9 年到7 0 年代，包括钙钛矿结构的p b t i 0 3 系列、钨青铜结构的铌酸盐系列等在内的 大量铁电体被发现，这个阶段也是铁电的软模理论出现并基本完善的时期， 称软模阶段，在此阶段中铁电材料进入了发展和实用阶段【l 捌。第四阶段是 2 0 世纪8 0 年代至今，在此阶段铁电体的研究主要集中于铁电液晶、聚合物 复合铁电材料、薄膜材料和异质结构等非均匀系统和低维系统 3 1 。8 0 多年 来，新的铁电体不断被发现，现在已知的铁电体己达2 0 0 多种。2 0 世纪8 0 年代以来，随着高科技对新材料的需求日益扩大和材料制备技术的迅速提 高，铁电体作为一类新型功能材料倍受关注，随着薄膜制备技术的发展， 铁电薄膜的研究引起了人们的高度重视【4 叫。 1 2 铁电薄膜的制备技术及其特点 随着现代微电子和光电子技术的发展，电子器件朝着微型化和集成化 的方向发展，电子器件尺度由c n l 量级逐渐发展至m l t l 、p m 量级。人们预 计，二十一世纪，电子器件的量级将处于n l t l 量级。另外，器件多功能化要 l 四川大学硕士论文p s t t 铁电薄膜的制备和性能研究第一章绪论 求各种功能器件要与微电子器件集成，要求实现功能单元尺寸也越来越小， 如光、磁性以及纳米结构器件。器件的微型化、集成化和多功能化要求器 件所使用的材料朝着薄膜化方向发展，以达到器件的轻重量，小尺寸，因 此，对薄膜制备技术的要求越来越高。 薄膜制备技术是现代材料科学与工程技术中制备新型和高性能材料的 一种重要技术，如何制备性能良好的铁电薄膜，并使之在工艺上与半导体 技术相兼容，进而满足集成器件的要求，成为制约薄膜应用的关键环节。 制备技术的进步可以提高薄膜的质量，而薄膜质量的提高又可以促进器件 性能的提高和进一步的研究与开发，从而使其应用得到更广泛的推广。铁 电薄膜的制备方法较多，总的来说，按其制膜机理大体上可分为物理沉积 法和化学沉积法两大类，即“干法”和“湿法”。物理沉积法一般是在较高 的真空度下进行，所制备的薄膜致密度和平整度较高。沉积过程中薄膜可 直接在衬底上结晶，由于基片的表面结构和基片的温度对薄膜的取向有着 重要的影响，因此通过采用不同的基片和调节基片的温度，能够制得不同 取向的薄膜，甚至外延薄膜，这种方法对自发极化呈现高度各向异性的薄 膜制备显得尤为重要。物理沉积法包括：溅射法( s p u t t e r i n g ) 、电子束蒸发、 脉冲激光沉积( p u l s el a s e rd e p o s i t i o n ，p l d ) 、分子束外延( m o l e c u l a rb e a m e p i t a x i a l ，m b e ) 等。化学沉积法主要有两类：一种是化学气相沉积法 ( c h e m i c a lv a p o u rd e p o s i t i o n ，c v d ) 。包括普通c v d 、金属有机物化学气相 沉积( m o c v d ) 、等离子体增强c v d 等。另外一类是化学液相沉积法 ( c h e m i c a ls o l u t i o nd e p o s i t i o n ，c s d ) ，包括溶胶一凝胶法( s 0 1 o d ) 、金属有 机物分解法( m o d ) 、水热法等。下面简单介绍了几种铁电薄膜的常用的制 备方法。 1 2 1 溅射法( s p u t t e r i n g ) 它是利用高能离子轰击靶材形成溅射物流，在衬底表面沉积形成薄膜。 如图1 1 所示。这是一种较为成熟的技术，适应性强，是较早用于钛酸盐系、 铋系铁电薄膜的制备的方法之一，目前已广泛用于多种铁电薄膜材料的制 备。由于溅射物流具有高达十几至几十电子伏特的能量，在衬底表面能维持 较高的表面迁移率，其优点是： ( 1 ) 制备的薄膜结晶性能较好，适当的溅射参数下可获得单晶薄膜；( 2 ) 2 四川大学硕士论文p s t t 铁电薄膜的制备和性能研究第一章绪论 所需衬底温度较低；( 3 ) 与集成工艺的兼容性较好；( 4 ) 适用于多种铁电薄膜 的制备：( 5 ) 制备的铁电薄膜不需或只需较低温度的热处理即可具有铁电性： ( 6 ) $ t j 备的铁电薄膜具有较好的铁电性等。 但溅射法制各铁电薄膜也存在一些缺点，如生长速度慢，溅射时不同材 料的溅射率不同，所获薄膜的组份比与靶材有一定差异，膜的微结构与组分 均匀性均有待改进，技术上难以实现大面积衬底上生长高质量的铁电薄膜。 影响铁电薄膜性能的工艺因素有( 1 ) 衬底温度：它可能直接影响所制备 薄膜的铁电性。如对钙钛矿结构的薄膜， 过低的衬底温度会使薄膜呈焦绿石结构 而不具有铁电性；( 2 ) 溅射功率：溅射功率 控制溅射速率，而不同速率下薄膜会具有 不同的结晶性，较低速率下易获得单晶外 延膜；( 3 ) 靶与衬底的距离及相对角度等 几何因素，也会影响薄膜的结晶性能；( 4 ) 溅射气氛对氧化物铁电薄膜的铁电性有 较大影响。 近年采用了先进的技术如射频磁控 溅射、反应溅射、多元靶溅射及离子束溅 射，已生长出b a t i 0 3 ，b i t i 0 3 ，l i n b 0 3 ， p b t i 0 3 ，p b ( z r ，t i ) 0 3 ，( p b ，l 钔( z r ，t i ) 0 3 ， 图1 1 直流二级溅射装置原理图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f d cs e c o n d a r y s p u t t e r i n ge q u i p m e n t s r b i 2 t a 2 0 9 等铁电薄膜，薄膜质量大为提高，并已做出了多种原型器件，如热 释电传感器、声表面波器件、非挥发性铁电存储器及电光器件等。r a m t r o n 公司推出的铁电薄膜存储器主要是采用射频溅射成膜的。 1 2 2 金属有机物化学气相沉积法( m o c v d ) m o c v d 法是利用运载气携带金属有机物的蒸气进入反应室，受热分 解后沉积到加热的衬底上形成薄膜。它是制备铁电薄膜的一种湿法工艺。 气源通常为链羟基化合物、醇盐和芳基化合物。其特点是：( 1 ) 较低的衬底 温度；( 2 ) 较高的生长速率；( 3 ) 精确的组分控制；( 4 ) 易获得大面积均匀薄膜； ( 5 ) 可在非平面衬底上生长，可直接制备图案器件，易于规模化和商业化。 但它有一个致命的弱点，即适合的源有限，继续开发新的、挥发温度 3 四川大学硕士论文p s t r 铁电薄膜的制备和性能研究第一章绪论 较低的、毒性低的m o 源是m o c v d 获得长足发展的关键。 1 2 3 溶胶凝胶法( s 0 1 g e l ) 有适当配比离子的复合醇盐溶液水解、聚合形成溶胶，用匀胶机将其 均匀摔布在衬底上，经烘干退火处理形成铁电薄膜。s o l - g e l 法成功的关键， 一是获得稳定的溶胶；二是在凝胶过程中有效地控制缩聚反应。要获得稳 定的溶胶，金属有机化合物的选择相当重要，其要求包括；( 1 ) 高金属含量： ( 2 ) 在溶剂中有很高的溶解度；( 3 ) 热分解时无熔化或蒸发；( 4 ) 室温下稳定， 不凝聚；( 5 ) 与所用其他化合物相容等。影响s 0 1 g e l 法制备的薄膜性质的因 素主要有：加热速率与最高烧结温度。烧结温度将决定最终制得的薄膜是焦 绿石结构还是钙钛矿结构。同时，烧结条件选择不当，会造成膜层的龟裂。 由于s 0 1 g e l 法中的水解、聚合等反应在溶液中进行，各组分可在分子 水平上均匀混合，制成薄膜的组分控制精确，而且易于调整( 掺杂) 组分，微 区组分均匀性高，退火温度低，易于大面积制膜，成本低，该技术还与硅 集成工艺兼容，适合于制作铁电集成器件。尽管该方法还存在可供选择的 醇盐种类有限，易出现裂纹，工艺参数较难掌握等不足，仍不失为一种很 有发展潜力的制备高质量铁电薄膜的工艺方法。 1 2 4 脉冲激光沉积法( p l d ) p l d 法是利用准分子激光器所产生的高强度脉冲激光束聚焦于靶材表 面，使靶材表面产生高温及熔蚀，并进一步产生高温高压等离子体，这种 等离子体的定向局域膨胀发射，并在加热的构底上沉积形成薄膜。这种技 术最先是用于高超导薄膜的生长，现已用于铁电薄膜和其它薄膜材料的 制各。 p l d 法制备铁电薄膜的优点是：( 1 ) 可以制备与靶材成分一致的复杂组 分铁电薄膜，薄膜组分容易控制，即使含有容易挥发元素的多元化合物，如 p b ( z r , t i ) 0 3 ，也可通过调整靶材的组分来实现；( 2 ) 可引入氧气等活性气体， 这对多元氧化物薄膜，特别是铁电薄膜的制备极为有利；( 3 ) 生长速率快， 沉积参数易调；( 4 ) 灵活的换靶装置，便于实现沉积多层铁电薄膜；( 5 ) 可实 现原位退火，系统污染少等。 但p l d 法制备得到的铁电薄膜均匀性差，难以制得高质量大面积薄膜。 表1 1 所示为铁电薄膜常用制备方法及特点比较。 4 四川大学硕士论文 p s 竹铁电薄膜的制备和性能研究第一章绪论 表1 1 铁电薄膜常用制备方法及其特点 t a b l e1 1f e a t u r e so f d i f i e r e n tf e r r o e l e c t r i c sf i l m sp r e p a r a t i o n s 壶鎏堕盟塾盛竖遇鏖型鱼堕囹塑塑遇廑! 旦) 逗丛遏鏖! 里2 堕壁 m o c v d 溶液 溅射法 陶瓷 p l d 晶体 s o l g e l 溶液 低 低 低 低 短 短 短 短 5 0 0 7 0 0 室温7 0 0 室温 7 0 0 室温 5 0 0 7 0 0薄 5 0 0 - - 7 0 0薄 5 0 0 ，7 0 0薄 5 0 0 - - 7 0 0薄 直壁垒筮坌塑丝坌晶丝壅萎箜昌丝丝塾宣廑 逞量塑堑 m o c v d 均匀保持后续退火 高取向 一般 高 溅射法 均匀保持后续退火高取向一般高 p l d 均匀保持后续退火 高取向一般高 s o l g e l 均匀保持后续退火 高取向一般高 1 3 铁电薄膜材料在器件 上的应用 铁电薄膜具有铁电性、压 电性、热释电效应、声光效应、 光折变效应、非线性光学效应 等性质，因而可以利用这些性 质中的一种性质做功能器件， 也可以通过交叉耦合综合利用 两种或两种以上的性质做功能 器件，还可以与其它材料的功 图1 2 铁电薄膜的应用 f i g 1 2t h ea p p l i c a t i o n so f f e r r o e l e e t r i cf i l m s 能效应结合制成集成功能器件。如图1 2 所示。 自二十世纪八十年代中期铁电薄膜的制备技术取得突破性进展以来， 使得在较低的衬底温度下沉积高质量的外延或择优取向的铁电薄膜成为可 能，从而使铁电薄膜工艺技术与半导体兼容成为可能。此外，微电子、光 四川大学硕士论文p s t r 铁电薄膜的制备和性能研究 第一章绪论 电子和传感器等相关技术的发展，也对铁电材料提出了小型化。薄膜化和 高集成的要求，使集成铁电器件成为新兴产业。目前，铁电薄膜材料在器 件上的应用主要有三个方面：微机电系统( 微型传感器阵列等) 、存储器、高 频电子器件f 1 0 1 。 1 3 1 铁电薄膜在微机电系统中的应用 微机电系统( m e m s ) 技术的好处就在于实现了半导体集成电路与功能 器件在微尺度上的集成。将铁电薄膜结合到m e m s 中，充分发挥铁电薄膜 的优异性能，可以大大拓展m e m s 的应用。以传感驱动应用为例，利用铁 电薄膜的正、逆压电效应，在传感应用中可以提高灵敏度并降低噪声，在 驱动应用中可以实现高响应速度和大输出应力。 铁电薄膜与m e m s 的结合催生了新的铁电m e m s ( f e m e m s ) 器件。在 f e m e m s 中，信号的处理主要由薄膜衬底来完成，因此实现薄膜与衬底的 紧密结合及发展低温制膜技术显的格外重要。 目前已出现的铁电m e m s 器件有：驱动器、传感器、原子力显微探针 ( a f m ) 、微超声马达、红外热释电探测阵列以及移动通信中的r f 滤波器等。 最近还有人提出利用铁电薄膜中的电畴作存储单元，结合m e m s 技术发展 具有超高存储密度的信息存储系统，其原理是根据电畴的自发极化来纪录 信息，应用a f m 探头的逆压电效应实现数据读出。采用这一技术，存储密 的可达2 0 0 g b i n 2 。 红外热释电探测阵列是从红外热释电传感器发展起来的，也是 f e m e m s 中的研究热点。红外热释电传感器主要是应用了铁电体的热释电 效应，适用于红外光谱测量、红外成像、过程控制、安全警戒等领域。在 与半导体相结合的基础上发展起来的红外热释电阵列，在成本控制和响应 速度等方面，都有明显的优势。而铁电体在实现薄膜化后，体积比热降低， 灵敏度也得到相应的提高。在红外热释电阵列器件中，材料的选择比较重 要，理想的热释电薄膜材料应具有以下优点：高热释电系数、低介电常数、 低介电损耗、高体积比热等i 】。( p b 、l a 、c a ) t i 0 ，、( p l c t ) t 1 2 1 、b s t 、 p b s c j ，2 t a v z 0 3 ( p s t ) 【1 3 】等材料体系在这个领域比较活跃。制备方面，目前主 要的问题也是如何使薄膜与衬底更紧密的结合，并实现良好的晶体结构。 随着制膜技术的发展，薄膜技术的进一步优化，薄膜型红外热释电探测器 6 四川大学硕士论文p s t t 铁电薄膜的制备和性能研究 第一章绪论 将得到更为广泛的应用。 1 3 2 铁电薄膜在存储器件中的应用 铁电薄膜在存储器中的应用包括铁电随机存储器( f r a m ) 、动态随机存 储器( d r a m ) 以及一些嵌入式逻辑器件等。铁电随机存储器( f r a m ) 兼有 r a m 和r o m 的功能，被称为是非易失随机存储器- n o n v o l a t i l e r a m ，问世 后便收到广泛关注。除了非易失性存储及与c m o s 电路相集成的优势外， 铁电存储器还表现出了存储时间短、读写电压低、体积小、功耗少、稳定 性好等优点，目前商业化产品的存储容量已达4 m b 。应用f r a m 允许人们 对系统进行更为频繁的非易失性读写，便于进行实时的数据采集和监控， 在有突发事故发生时，还能及时存储系统配置信息，进行系统维护。此外， f r a m 在非接触式i c 卡、嵌入式系统、f p g a 等领域都很有发展前景，有 理由相信f r a m 将成为今后的主流存储器件。 1 3 3 铁电薄膜在微波器件中的应用 铁电薄膜也可以用于通信、遥感、测控等领域的微波器件。比如利用 其压电性能设计的声表面波器件( s a w ) ，声表面波是沿介质表面传播的一种 声波，其传播速度和波长比电磁波约小5 个数量级，可以产生很客观的信 号延迟，从理论上说，s a w 器件可以完成信号延迟、滤波等大部分电子器 件所具有的功能。 低损可调的微波元件，也是铁电薄膜在微波领域一重要应用。( b a ， s r ) t i 饵s t ) 系列薄膜因其较强的非线性介电性能( 如介电常数场致调控 性) ，在这一方面备受关注。采用这种类型的微波元件可以降低设备体积功 耗，在雷达和无线通信领域都会有深远影响。如何使器件在工作于微波频 段时仍有较好的介电常数可调性，同时兼具较低的介电损耗【1 2 j 是很重要的， 这和制膜工艺也是紧密相关的。国内外不少学者针对这方面应用对b s t 薄 膜进行了大量的研究，以期降低薄膜的高频介电损耗、提高其介电可调性。 比如利用p l d 技术在l a a l 0 3 或m g o 基片上沉积的b s t 薄膜，已经实现了 的介电可调性以及的低介电损耗。 四川大学硕士论文p s t t 铁电薄膜的制备和性能研究第一章绪论 1 4 本论文研究的目的、意义及选题依据 p b ( s c i e t a l ，2 ) 0 3 - p b t i 0 3 简称p s t t ，其介电常数介于5 0 0 0 - - 3 1 0 0 0 之间， 其热释电系数报道最低也有3 6 x 1 0 3 c m 五k 一，是常见热释电材料热释电系数 的几倍，介电性能亦非常优越，特别适合于热释电探测器列阵。本论文结 合导师所承担的国家科学自然基金项目，开展了对热释电薄膜p s t t 制备工 艺及性能的研究。 本研究主要采用了射频磁控溅射( r em a g n e t r o ns p u t t e r i n g ) 技术制备了 p s t t 铁电薄膜，研究了不同溅射参数、不同退火温度、不同衬底等工艺条 件对p s t t 薄膜成相的影响；不同缓冲层对p s t t 薄膜取向的影响，并运用 x r d 、s e m 、a f m 、宽频l c r 数字电桥和压电工作站等现代分析仪器和技 术分析了p s t t 薄膜的微结构性能、介电性能、电滞回线以及漏电流特性等。 部分研究成果已在国内外学术会议和学术干u 物上发表，部分研究成果正在 总结，即将发表：还有部分试验结果尚需进步研究。在攻读硕士学位期 间，在国内外学术刊物及学术会议上已经发表或待发表文章7 篇，其中第 一作者1 篇。 参考文献： 【l 】c r o s sle ，n e w n h a mr h i g ht e c h n o l o g yc e r a m i c s p a s t ，p r e s e n ta n df u t u r e j ，a m c e r a s o c ，1 9 8 7 ，3 ：2 9 0 3 0 5 【2 】h 删i n ggh f e r r o e l e c t r i cm mf i l m sf o re l e c t r o n i ca p p l i c a t i o n j j v a e s c i t e c h n 0 1 a ，1 9 9 1 ，9 ( 3 ) ：4 4 4 s 【3 】莱茵斯me ，格拉斯am 铁电体及有关材料的原理和应用【m 】， 北京：科学 出版社，1 9 8 9 【4 】s w a r t ssl t o p i c si ne l e c t r o n i cc e r a m i c s ，e l e c t r i c a li n s u l a t i o n j i e e et r a n s a c t i o no n , 1 9 9 0 ，2 5 ( 5 ) ：9 3 5 9 8 7 【5 】m a y e rm ，s c r e e n i v a sk s y n t h e s i sa n dc h a r a c t e r i z a t i o no f t h i nf i l m so f b i 4 t i 3 0 1 2f r o m o x i d ep r e e u r r s j s c i e n c e ，1 9 9 0 ，2 4 7 ：1 0 5 6 - - 1 0 6 0 【6 】f r a n c o m b emh ，k r i s h n a s w a n m ysv g r o w t ha n dp r o p e r t i e so fp i e z o e l e c t r i ca n d f e r r o e l e c t r i cf i l m s j j v a e s e i t e c h n 0 1 a ，1 9 9 0 ，8 ( 3 ) ：1 3 8 2 1 3 9 0 【7 】a d a c h ih ，w a s ak s p u t t e r i n gp r e p 删i o no ff e r r o e l e c t r i c sp l z t 也i nf i l m sa n dt h e i r 8 四川大学硕士论文 p s n 铁电薄膜的制备和性能研究第一章绪论 o p t i c a la p p l i c a t i o n s j i e e et r a n s a c t i o no nu l t r a s o n i c s ，f e r r o e l e c t r i c sa n df r e q u e n c y c o n t r o l ，1 9 9 1 ，3 8 ：6 4 5 _ 5 5 5 【8 s c o rjf ，a r a u j oca f e r r o e l e c t r i c sm e m o r i e s j s c i e n c e ，1 9 8 9 ，1 4 6 ：1 4 0 0 1 4 0 5 【9 】周东祥，龚树萍p t c 及应用，武汉：华中理工大学出版社，1 9 8 9 【1 0 】s e t t e rn ，e la 1 f e r r o e l e e t r i et h i nf i l m s ：r e v i e wo fm a t e r i a l s ，p r o p e r t i e s ，a n d a p p l i c a t i o n s j j a p p l p h y s ，2 0 0 6 ，1 0 0 ，0 5 1 6 0 6 - - - 1 , 一4 6 【11 】r o g a l s k ia n t o n i i n f r a r e dd e t e c t o r s ：s t a t u sa n dt r e n d s j p r o g r e s si nq u a n t u m e l e c t r o n i c s ，2 0 0 3 2 7 ：5 9 【1 2 】f ux i a o r o n g , e ta 1 p r e p a r a t i o no fh i e , r a y ( 1 0 0 ) - o r i e n t e dp l c tt h i nf i l m s o n p t t i ，s i 0 2 s is u b s t r a t e sb yas i m p l es o l g e lp r o e e s s j 1 m a t e r l e t t ，2 0 0 0 ，4 4 ：7 0 【1 3 】l i ud o n h a n g , c h e r th a y d n , e ta 1 l o w - t e m p e r a t u r ep r e p a r a t i o no fp e r o v s k i t e p b ( s c o5t a o5 ) 03t h i n f i l m s u s i n g m o c v d c 叨m a t e r l e t t ，1 9 9 6 ，2 8 ：1 7 9 四川大学硕士论文p s t t 铁电薄膜的制备和性能研究第二章p s t r 薄膜的结构与性能 第二章p s t t 薄膜的结构与性能 2 1 钽钪酸铅p b ( s c l 2 t a l 2 ) 0 3 ( p s t ) 的结构与相变 2 1 1p s t 的晶体学结构 p s t 是一种很有研究意义的具有混合b 位阳离子的铅基钙钛矿结构材 料。根据b 位阳离子s c 3 十和t a s + 的排列有序度，p s t 材料会具有顺电铁电 相变( 对于有序材料) 或者“弛豫型”散射相变( 对于完全无序材料) ，随之排 序角度的减少，它的居里温度大约在0 - 2 6 。在居里温度以上，它的结构 相当于立方体钙钛矿结构，符合总的化学公式a b t ，2 b 1 2 0 3 。通常用理想立 方钙钛矿结构来描述它的结构，如图2 1 所示。有序排列的s c 和t a 位于 1 1 l 方向的平面上形成一种超晶格结构，使单位晶格翻倍i l 】。 ” 图2 1 ( a ) p s t 有序钙钛矿结构图彻a b 0 3 钙钛矿结构图 f i 9 2 1 ( a ) o r d e r e d p s t p e r o v s k i t es t r u c t u r e ( b ) a b 0 3 t y p e p e r o v s k i t es t r u c t u r e 2 1 2p s t 的铁电相变 自s t e n g e r 研究p s t 中b 位离子的有序与无序变化以来，b 位离子的排 布对p s t 的性能一直是一个关键性的影响因素。众多的研究表明，b 位离 子的有序度可使p s t 的铁电顺电相变在1 0 。c 3 0 c 之问变化。尽管高温退 1 0 四川大学硕士论文p s t t 铁电薄膜的制备和性能研究g - - 幸p s t t 薄膜的结构与性能 火处理是实现b 位离子有序化的主要方法，但高无序态的获得却要在高i 临 界温度以上进行淬火处理才可，这个温度就是有序一无序转变点。 钽钪酸铅p s t 的b 位离子可以表现出不同的有序度，当其不完全有序 时，铁电- j 颐电变得弥散化；而当b 位离子进行完全的有序分布时，则为尖 锐的一级铁电顺电相变 2 - 6 。三个可变参数( a a ( t o ) 、t o 和) 的值，得到的 结果曲线示于图2 2 7 1 。相应于此曲线的三个参数的拟合值如下： t o = 2 7 0 5 o 1 k瓦= 2 2 8 0 + 0 1 k a a ( t o ) = 0 0 9 4 + o 0 0 2 。 根据相变热力学，一级铁电一顺电相变将会有潜热的变化，而二级相变 则无相交潜热发生。c c a r a n o n i 等吲及f c h u 等f 9 】先后以热分析的手段对 p s t 、p s n 的相变进行了研究。c a r a n o n i 测得的最大吸热出现于2 3 6 。如 图2 3 所示。 图2 2p s t 有序参数与温度的关系 f i g 2 2 t h er e l a t i o n s h i pb c t w p c i io r d e r p a r a m e t e ro f p s ta n dt e m p e r a t u r e 图2 3p s t 晶体的d s c 图：0 - - 5 0 c 吸热 f i g 2 3t h ed s co f p s tc r y s t a l ：0 - 5 0 c d e c a l 部c , g l l c c c a r a n o n i 在另外个低有序度的样品中测得了一个较低的最大吸热峰 温度：1 7 t c ，表明热分析结果和b 位离子有序性密切相关【s 1 。而f c h u 则 在无铅缺位的无序p s t 的热分析中发现了一级相变的热滞效应，这就是p s t 的弛豫一正常铁电相变【9 】。 2 2p s t 的性能及应用 p b ( s c v 2 t a v 2 ) 0 3 ( 简称p s t ) 是一种典型钙钛矿结构复合材料。p s t 铁电 薄膜是一种性能优良的热释电材料，与其他材料相比，具有较高的热释电 l l 四川大学硕士论文p s t f 铁电薄膜的