（凝聚态物理专业论文）tio2过渡层对pst和bnt铁电薄膜结构和电学性质的影响.pdf

t j 如过渡层对p s t 和b n t 铁电薄膜结构和电学性质的影响中文摘要 中文摘要 近年来，为了提高铁电薄膜的性能，在基底与薄膜闻加入过渡层已经成为非常有 效的方法之一。目前被用作过渡层的材料有很多，本文我们选取砸0 2 薄膜作为过渡 层，采用溶胶凝胶( s o l - g e l ) 法在p t t # s i 0 2 s i 基底上制备了不同厚度( 5l i r a 、1 0n m 和2 0n m ) 的噩0 2 薄膜，研究其对p s t ( p b l 。s r 函0 3 ，x = 0 4 、o 6 ) 和b n t ( b b s 4 n d o _ 6 r n 3 0 1 2 ) 两种铁电薄膜微观结构及电学性质的影响。 首先研究0 2 过渡层对p s t 薄膜的影响。分析表明结晶的t i 0 2 过渡层( 退火温 度为6 5 0o c ) 对不同组分的p s t 薄膜均有影响，不仅在晶格结构上使p s t 薄膜由混 合取向转变为0 0 0 ) 择优取向，并且改善了薄膜的表面平整度。薄膜的介电常数及其直 流电压电容可调谐性增加，同时薄膜的介电损耗及漏电流密度减小了。这主要是由 于结晶的丽d 2 过渡层与i t ( 1 1 1 ) 有较好的晶格匹配，从而降低了p s t 薄膜晶粒成核所 需的能量，提高了其成核密度，使薄膜更为致密平滑，从而使薄膜的电学性质得到改 善。对于不同厚度( 0 - 2 0 r i m ) 的n 0 2 过渡层，我们详细分析了其对p s t 6 0 薄膜电学 性质的影响。结果表明对于p s t 薄膜，5 啪厚的过渡层效果最明显。 另外研究了结晶的n 0 2 过渡层对b n t 铁电薄膜的影响。结果表明，n 0 2 过渡层 对b n t 薄膜的微观结构也能起到改善作用。在p t 基底与b n t 薄膜问加入过渡层后， 薄膜由混合取向转交为( 1 1 7 ) 择优取向，结晶颗粒变得小而致密，薄膜表面变得更为 均一、平整。在电学性质方面，加入伍0 2 过渡层后，b n t 薄膜的介电常数及2 p r 值 得到了很大的提高，而介电损耗及漏电流密度都有一定程度的降低，同时薄膜的耐压 性也获得了提高。过渡层厚度为2 0n m 时，其对薄膜性能的改善相对较为明显。 关键词：铁电薄膜，i i 0 2 过渡层，溶胶凝胶法，微观结构，电学性质 作者：陈丽莉 指导教师：沈明荣 n 0 2 过渡层对p s t 和b n t 铁电薄膜结构和电学性质的影响英文摘要 a b s t r a c t r e c e n t l y , i 雠r t i n ga b u f f e rl a y e rb e t w e c nt h es is u b s t r a t e sa n df e r r o e l e e t r i ef i l m sh a s b e e n 锄e f f e c t i v ew a yt oi m p r o v et h ep r o p e r t i e so f t h ef i l m s n o w a d a y s , al o to f m a t e r i a l s c a nb eu s e da st h eb u f f e rl a y e r i nt h i sa r t i c l e w ee h o o s e dt h et i 0 2a st h eb u y e rl a y e r , a n d f a b r i c a t e dt h et i 0 2l a y e r sw i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s s e s ( 5n m 、1 01 1 1 3 1a n d2 0r i m ) o n 1 t l i s i 0 2 s is u b s l r a t eb ys o l - g e lm e t h o d t h e nw ed e p o s i t e dp s t & b l s 棚0 3 x = 0 4 、 0 6 ) a n d 瑚盯( b i 3 s 4 n d o 4 函0 1 2 ) f i l m s0 1 2 t h eb u f f e rl a y e r sa n di n v e s t i g a t e dt h e i r m i e r o s t r u e t u r ea n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e s f i r s t l y , w ei n v e s t i g a t e dt h ei n f l u e n c eo ft i 0 2b u f f e rl a y e r so i lt h em i e r o s t r u e t u r ea n d e l e e l z i e a lp r o p e r t i e so f p s tf i l m s i tw a sf o u n dt h a tt h em i c r o s t r u e t u r eo f t l a ef i l m sc h a n g e d f r o mr a n d o mo r i e n t a t i o nt o0 0 0 ) p r e f e r r e do r i e n t a t i o na n dt h es u r f a c er o u g i l l l e s s 、张s r e d u c e dt oal a r g ee x t e n t , a f t e ri n s e r t i n gt h eb u f f e rl a y e r sb e t w e e nt h ep ts u b s t r a t e sa n d p s tf i l m s m e a n w h i l e , t h ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e so ft h ep s tf i l m sw i t h 面0 2b u f f e rl a y e r w e a l s oi m p r o v e d , i n c l u d i n gt h ei n c r e a s eo f d i e l e c t r i cc o n s t a n ta n di t st u n , a b i l i t yb yd i r e c t c u r r e n tv o l t a g e 酗w e l l 嬲t h ed l 沁t c a s co ft h ed i e l e c t r i cl o s sa n dl e a k a g ec l l r r e n td e n s i t y s i n c et h es t r a i n e d u t i l el a y e rc o p i e st h ep t ( 1 1 t ) l a t t i c e ，t h ea c t i v a t i o ne n e r g yf o r n u c l e a t i o no fp s tt h i n f i l mi sr e d u c e da n dt h en u c l e a t i o nd e n s i t yi si n c r e a s e da t t e r i n s e r t i n gt h e 0 bb u f f e rl a y e r s t h u st h ep s tf i l m sb c c o l n ed e n s e ra n ds m o o t h e r , a n d a c c o r d i n g l yt h ee l e e l r i e a lp r o p e r t i e so ft h e ma ma l s oi m p r o v e dl a r g e l y a m o n gt h e d i f f e r e n tt h i c k n e s s e so f t h et i 0 2l a y e r sb e t w e e n0a n d2 01 1 1 1 1 ，i t 瑚o b s e r v e dt h a tt h e5n m t l a i e kt i 0 2b i l k e rl a y e rh a dt h em o s ts i g n i f i c a n te f f e c to nt h em i e r o s t r u e t l a a n de l e c t r i c a l p r o p e r t i e so f p s t f i l m s s e c o n d l y , w es t u d i e dt h ei n t l u e n e eo ft i 0 2b u f f e rl a y e r s0 1 3 t h em i e r o s m z e t u r ea n d e l e e l z i e a lp r o p e r t i e so f b n tf e r r o e l e e t r i ef i l m s t h ec r y s t a l l i z e dt i 0 2b u 伍e l rl a y e r sc a na l s o i m p r o v et h em i e r o s t r u e t u r eo fb n tt h i nf i l m s w h e l t li n s e r t i n gt h eb u y e rl a y e r sb e t w e e n t h ep ts u b s t r a t e sa n db n tf i l m s t h em i e r o s t r u e t u r eo ft h ef i l m sc h a n g e df r o mm d o m t i 0 2 过渡层对p s t 和b n t 铁电薄膜结构和电学性质的影响英文摘要 o r i e n t a t i o nt o0 1 7 ) p r e f e r r e do r i e n t a t i o na n dt h ec r y s t a lg r a m sb e c a m es m a l l e ra n dd e n s e r , l e a d i n gt oas m o o t h e ra n de v e n e ts u r f a c eo ft h ef i l m s o nt h ea s p e c to ft h ee l e c t r i c a l p r o p e r t i e s ，t h ed i e l e c t r i cc o n s t a n ta n dr e m a n e n tp o l a r i z a t i o nv a l u e ( 2 p r ) o fb n t t h i nf i l m s w i t ht i 0 2b u f f e rl a y e r sw l 玎 ei n c r e a s e dw h i l ei t sd i e l e c t r i cl o s sa n dl e a k a g ec u r r e n td e n s i t y w e r ed e c r e a s e dt oac e r t a i ne x t e n t t h e i rv o l t a g ee n d u r a n c ew a sa l s oe n h a n c e da f t e r i n s e r t i n $ t h eb u f f e rl a y e r t h e s er e s u l t sa r em o s t l yd u et ot h e ( 1 1 乃p r e f e n e do r i e n t a t i o n a n dt h ei m p r o v e dm i c r o s t r u c t u r eo f b n tt h i nf i l m s a m o n gt h ed i f f e r e n tt h i c k n e s s e so f t h e t i 0 2l a y e r sb c t w n0a n d2 0n m , i tw a sf o u n dt h a tt h e2 0n l nt h i c kt i 0 2b u f f e rl a y e rh a sa r e l a t i v e l yl a r g ee f f e c to nt h em i c r o s t r u c t u r ea n d e l e c t r i c a lp r o p e r t i e so f b n tf i l m s b a s e do na b o v er e s e a r c h , w es u g g e s t e dt h a tt h ec r y s t a l l i z e dt i 0 2b u f f e rl a y e r sc a n i m p r o v et h em i c r o s t r u c t u r ea n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e so f b o t ht h ep s t a n db n tf e r r o e l e c t r i c 右i r e s k e yw o r d s ：f e r r o e l e c t r i ct h i nf i l m , t i 0 2b u y e rl a y e r , s o l - g e l ，m i c r o s m a - t u r e ，e l e c t r i c a l p r o p e r t i e s h i w r i t t e nb y ：l i l ic h e n s u p e r v i s e db y ：m i n g r o n gs h e n 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或 其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责 任。 研究生签名：鬓虹函毒l 一 日期：蛰霉班 学位论文使用授权声睨 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相致。除在保存期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名缢自蒴 日期：垒啦里一 导师签名：l 血j 鑫 日期：趔7 笠：f 生一 啊q 过渡层对p s t 和b n r i 铁电薄膜结构和电学性质的影响第一章引言 引言 1 电介质的基本理论及其在d r a m 中的应用 1 1 电介质的基本理论 电介质( d i e l e c t r i c s ) 是在电场下，没有稳定传导电流通过的一类物质的统称【n 。 其特征是以正、负电荷重心不重合的电极化方式传递、存储或记录电的作用，但其中 起主要作用的是束缚电荷。电介质分布极广，可以是气态、液态或固态，也可以是晶 态、非晶态。当前对于固态电介质的研究比较广泛，因为固态电介质具有许多可利用 的性质，例如电致伸缩、压电性、热释电性、铁电性等。 电介质的介电性能通常用介电常数、介电损耗、电导和介电击穿来表征。所谓 介电性，是指材料受到一外加电场作用，其内部的分子、离子或电子发生极化现象， 此极化现象会影响材料的介电常数c 。构成极化现象的机制有下列四个，参考图1 1 ： e 辍l 匕过程未极化状态撮化状态 空间电荷 撮化 电妈授 亿 同：匈 衰予撮二；：+ - - + 一 亿 一十一十一 患豫 f o - 乞、二， + 一+ 一+ 一 一+ 一+ 一十 + 一+ 一十一 一+ 一+ 一+ o 图1 - 1 极化现象的机制 ( 1 ) 空间电荷极化：电荷粒子受电场的作用而移动，滞留于一定特定空间或界 面，而产生空问电荷呈现极化现象，交流电场频率约在1 0 - 3 1 0 2 。 ( 2 ) 电偶极化；又称方向极化。在外加电场下，电偶极随电场方向排列而使材 币0 2 过渡层对p s t 和b n t 铁电薄膜结构和电学性质的影响 第一章引言 科产生极化，交流电场频率约在z 0 3 1 0 l k 。 ( 3 ) 离子极化：又称原子极化。在外加电场下正负离子的平衡位置产生相对位 移，而造成极化现象，交流电场频率约在1 0 9 1 0 1 3i - i z 。 ( 4 ) 电子极化：外加电场下，原子核的中心点产生偏移，使电子与带正电的原 子核因为此相对位移而变成电偶极，交流电场频率约在1 0 1 4 1 0 1 6h z 。 1 介电常数 在外电场的作用下，电介质的相对介电常数是综合反映这四种微观过程的宏观物 理量，它是频率m 的函数占徊) 。如图l - 2 所示： f 工囊 】l 曩无姥电曩率缸井鬈井 图l - 2 各种极化机制对f 的贡献 2 介电损耗 当双极子反转跟不上交流电场的变换时，全电场能量不能全部利用为极化效应， 部分的能量转变为热能而消失，称之为介电损耗。换而言之，当交流电场加于介质材 料，电位移产生落后相位万而有介电损耗t a n 8 。相对于介电常数以占的复数表示则： 矿= 一声7 介电损耗以电的品质系数q 的倒数表示则：t a n 8 = 1 q = ，s 因此t 蛆占可视为一周期消耗于介电材料中的能量与储存于介电材料中的能量之比。 2 砸q 过渡层对p s t 和b n t 铁电薄膜结构和电学性质的影响第一章引言 3 漏电流 元件使用时的功率消耗与元件的漏电流有其直接的关联，如果漏电流越大，元 件功率的消耗也越大，应用在d r a m 中的介电层如果电容的漏电流太大，电容上的 电荷将难以保持，将会造成资料的流失。 对于铁电薄膜的金属一绝缘体一金属结构，漏电流特征及导电机理也一直是人们 关注的问题。这方面的文献很多，一般就集中在后退火对漏电流的影响】、不同电 极 4 1 、漏电机理分析【5 6 】等等。 表1 1 绝缘体的几种基本导电机理 导电机理电流密度( j ) 和电压、温度的关系 肖特基发射( s c h o t t l o ye m i s s i o n )j f e x p a v 0 5 t - q c p b ( k t ) 弗兰克普尔发射( f r a n k e l - p o o l ee m i s s i o n )j v e x p 2 a v o5 ，r q 叩| ( k 1 w 隧道场发射( t u n n e l i n g f i e l de m i s s i o n ) j v 2 e x p ( - b v ) s p a c e - c h a r g e l i m i t e d j v 2 欧姆接触o h m i c j v e x p - c 御 i o n i cc o n d u c t i o n j o r r r ) e x p ( - d 注：咖为势垒高度；a = 脚h 删) 0 1 ：b ，c ，d 为正常教( 与电压、温度无关) 参见文献用 一般来讲，漏电流可以看成是三个部分组成：本征漏电流( t r u el e a k a g ec u r r e n t ) 、 极化电流( p o l a r i z a t i o nc u r f e n t ) 及离子电流( i o n i cc u r r e n t ) 。导电机理一般可分为六 种( 如表1 1 所示) 。 1 2 电介质在d r a m 中的应用 从1 9 7 0 年起至今，以半导体工业为基础的微电子产业已经取得了长足的进步， 微电子产业已经成为了各国国民经济的重要支柱。在当前，微小化和集成化是微电子 技术发展趋势的两大特征。不断缩小器件的特征尺寸，提高芯片的集成度和增加硅片 的面积可以提高集成电路的性能和价格比。而自从集成电路发明以来，集成电路芯片 的发展基本遵循了i n t e l 公司的创始人之一的g o r d o nm o o r e 所预言的摩尔定律，即集 成电路芯片的集成度大约以每1 8 个月增加l 倍，器件的特征尺寸大约每三年缩小乏 砸仉过渡层对p s t 和b n t 铁电薄膜结构和电学性质的影响 第一章引言 倍m 。 1 9 6 7 年d e n n a r d 发明了一项由两个基本器件组成的对于微电子器件极为重要的 电路动态随机存储器( d y n a m i ci nr a n d o ma c c e s sm e m o r y ，即d r a m ) ，动态随机存 储器是目前计算机中用量最大的半导体存储器，每个d r a m 是由一个晶体管和一个 电容器组成网，如图l - 3 所示。 _ o r d1 i n e i 年q ， 弋 图i - 3d r a m 单元组成示意图 d r a m 是半导体工业中最基本的存储元件。它是一种挥发性存储器，其中存储 的信息读取具有和处理器同样的工作速度。而其他的介质存储器，如磁介质存储器及 闪存都只能工作在较慢的速度下。d r a m 本身即为一种电容器，而当它的面积减小 后，就必定要提高其单位面积的电容量，才能维持其电容量甚至高于之前。根据公式 c ：! ! 垡可知，要增加电容量只有下列三种方法； 4 ( i ) 增大电容器的面积s ( 2 ) 减小电容器的厚度d ( 3 ) 采用相对高介电常数的物质作电容器的介质材料 增大电容器的面积目前有两种较为常用的方法，一种为沟槽，另一种为叠置，沟 槽必须在目前小面积元件做出来，具有相当高的难度，而叠置方式则会有样品表面不 平的现象产生。至于降低介电层厚度方面，当厚度低于一定值时，电子会产生隧穿效 应，而直接弓 起漏电流。所以目前的焦点放在了增加介电常数，而且要符合d r a m 电容元件的介电材料通常要符合下列几项条件： ( 1 )材料具有高介电常数 4 砸0 2 过渡层对p s t 和b n t 铁电薄膜结构和电学性质的影响第一章引言 ( 2 )材料漏电流低 ( 3 )材料对于温度有极佳的稳定性 ( 4 )材料具有高介强度的电崩溃 目前应用于d r a m 的材料可以大致分为两类。一类为简单的氧化物，如t i 0 2 1 1 0 1 ，z n 0 2 ， 和t a 2 0 5 1 等，他们的介电常数见表1 - 2 。这些一元金属氧化物的介电常数大约是现 行的d r a m 存储电介质的3 8 倍。简单的化学构成、结构使其很容易与现在的存储 器制造工艺相兼容。部分一元金属氧化物，如h f l 3 2 、t i 2 0 5 ，已经被产业界应用在1 g b i t 的d r a m 中。但是，人们很快意识到在不远的未来，这些一元金属氧化物的介电常 数将不足以满足d r a m 的更长远的发展要求。于是人们把目光投向了更高介电常数 的多元氧化物材料，即另一类材料一一铁电性材料，如钛酸锶钡( b a , s r ) 3 1 0 3 和钛酸 锆铅( p z t ) 等，具体见表l - 3 。对于g b i t 量级d r a m 来说，这些铁电薄膜被认为 是非常理想的存储介电材料。因为在室温下其具有比较高的介电常数( 1 0 2 1 0 3 ) 、较 大的击穿场强且较小的漏电流。 表1 - 2 ：常见的一元金属氧化物的介电常数临界电容 t h ev a l u e s 妞p a r e n t h e s i sa r eg i v e nf o rt h ec a s eo fat t s c m s , e d 瞰c n m c i t m 表l - 3 ：常见的铁电体的介电常数和临界电容 m 0 2 过渡层对p s t 和b n t 铁电薄膜结构和电学性质的影响第一章引言 2 铁电材料简介及研究现状 所谓铁电材料，是指材料的晶体结构在不加外电场时就具有自发极化现象，其自 发极化的方向能够被外加电场反转或重新定向。1 9 2 0 年v a s l e k 发现铁电效应以来， 人们对铁电材料的理论和应用研究取得了长足的发展并获得了广泛的应用。铁电材料 的这种特性被称为“铁电现象”或“铁电效应”。 l i n e s 和g l a s s l l 2 】以及f o u s e k 1 3 1 分别对铁电体的历史傲了全面的论述，他们认为， 铁电体的研究历史可分为四个阶段： 第一阶段：1 9 2 0 一1 9 3 9 年，发现了两种铁电结构，即罗息盐和k h 2 p 0 4 系列。 第二阶段：1 9 4 0 1 9 5 8 年，铁电唯象理论开始建立，并趋于成熟。 第三阶段：1 9 5 9 年到7 0 年代，铁电软模理论出现和基本完善，称为软模阶段。 第四阶段：8 0 年代至今，主要研究各种非均匀和低维系统。 并不是所有的材料都具有铁电性。在自然界中，晶体一般可以分为7 大晶系，即 三斜、单斜、正交、四方、三角、六方以及立方晶系。在7 大晶系中，按照对称性又 可分为3 2 个点群，其中只有l o 个点群具有特殊极化方向。只有属于这些点群的晶体， 才可具有自发极化，这l o 个点群称为极化点群。在庞大的铁电家族中，最具代表性 和为数最多的一类铁电体是钙钛矿型铁电体。这种结构的化合物化学通式为a b 0 3 ， 其中a 、b 分别代表不同的金属阳离子，o 为氧离 子。人们发现，这种结构晶体的奇异特性都和其中 的“氧八面体”有关。如图1 4 所示，较大的阳离 子a 占据立方晶胞的八个顶角。较小的阳离子b 占据立方晶胞的体心。氧离子则分布于面心。显然， 没有畸变的钙钛矿结构具有对称中心，其正负电荷 重心互相重合，因而不具有自发极化，也不可能有 位 o 豆子 一 图1 - 4 钙铁矿结构晶胞示意图 压电性。钙钛矿结构的一个重要特征是其结构的不稳定性，某些这类晶体如钛酸铅 ( p b t i 0 3 ) 在高温下具有标准的钙钛矿结构，但随着温度下降和晶格中离子振动减弱， 位于氧八面体中心的b 离子变得不稳定而出现向氧八面体某一顶角方向移动的倾向。 在此过程中位于原胞顶角的铅离子也向相同的方向移动，其后果是该晶胞由立方结构 6 0 2 过渡层对p s t 和b n t 铁电薄膜结构和电学性质的影响 第一章引言 变成了四方结构，发生这种位移型结构相变( 铁电相变) 的特征温度称为居里点t c ， 铁电体在居里温度附近，介电常数常常会急剧升高，并且在居里温度附近介电常数会 有频率弥散，这就被称之为铁电弛豫特性。 结构的变化将导致晶胞中正电荷的重心不再与负电荷的重心重合，从而导致了自 发极化的出现。宏观上表现为剩余极化的出现。对于居里温度在室温以上的铁电材料， 可以利用其高剩余极化的性质应用于非挥发性铁电存储器；反之，可以利用其高介电 常数的性质在动态随机存储器方面获得应用。 除此之外铁电薄膜还具有压电、热释电、电光、声光、光折变、非线性光学效应 和高介电系数等优良特性，可以应用于热释电探测器，热敏电阻( 1 1 e m l a lr e s i s t o r ) 等。很多铁电材料还具有介电常数随电场而改变的能力，称之为电容一电压调谐度， 此特性可以应用于可调的微波器件上，如共振器( r e s o n a t o r ) 、相移器( p h a s es h i f t e r ) 、 滤波器( f i l t e r ) 和天线等。 图l - 5 铁电材料相变及潜在应用 有些铁电体具有弛豫特性即大的频率色散和宽的介电峰( 介电常数随温度的变化 关系中) 。在钙钛矿结构的铁电体中弛豫特性主要存在于铅基化合物以及它们和钛酸 铅固溶体当中。弛豫型铁电材料有着高介电常数和大的电致伸缩应力，因此可应用于 微电子机械系统( m e m s ) 。 铁电材料中，p b ( l a ) t i 0 3 ( p l t ) ，s r t i 0 3 ( s t ) 和b a s r t i 0 3 ( b s d 等材料因为具有高介 7 t i 0 2 过渡层对p s t 和b n t 铁电薄膜结构和电学性质的影响第一章引言 电常数和热稳定性，而被研究应用于动态随机存储器和非挥发性存储器。b s t 因其具 有低漏电流、在室温下b s t ( 一定比例的b a s r ) 呈顺电相、和高介电常数等优点而 被认为是应用于d r a m 最有前途的材料。但是b s t 要求高的沉积温度，并且在低的 启动电场下会激发高散射电流，这限制了b s t 在d r a m 上的应用f 1 4 1 。 钛酸铅也是具有钙钛矿结构的铁电材料，因为其具有很好的压电性而得到了广泛 的研究。在4 8 5o c 以上时，钛酸铅呈立方相，随着温度的改变晶体结构也随之发生 改变。当温度下降到4 8 5 1 2 以下时，其晶体结构由立方相变为四方相，其晶格结构 变化可参照图1 6 。此时温度即为居里温度而钛酸铅也由顺电材料转变为铁电材料。 为了将钛酸铅在居里温度附近的高介电常数应用于d r a m 上。并且在室温下有 此一特性的呈现，目前使用的方法便是将钛酸铅( p t ) 与钛酸锯( s t ) 互溶以达到 此目的。这是因为钛酸锶的居里温度为- - 1 6 3 。c ，在室温时其结构为四方相，因此当 锯取代部分铅时，便将该钛酸锶铅化合物( p s t ) 的居里温度往下调整，见图1 7 【1 5 】。 圆心画 立方相四力= 相4 0 0 4 ”“”o ”o ”o ! o ”o ”。” f _ ，m ht c 母1 6 钛酸铅结构相交图图1 7 口b i 跚枷1 0 ，陶瓷介电常数 在1 0k h z 频率处随温度的变化 c h u n g 和w o o 等人研究发现，在p t 中添加s t 形成p s t ，不仅可以得到更高的 介电常数，而且沉积温度也更低。此外p s i 的居里温度可以在室温附近或者低于室 温【阍，这一主要特性使得p s t 有可能在室温下呈现顺电相并且具有较高的介电常数。 基于这些优点，p s t 有望被应用于d r a m 和可调微波器件。 8 窨：j：s-：!口 n 仉过渡层对p s t 和b n t 铁电薄膜结构和电学性质的影响 第一章引言 3 本文的研究意义和研究内容 作为重要的铁电材料，近年来有不少关于钛酸锶铅的研究工作。2 0 0 4 年，s w l i u 等人报道了沉积于l a a l 0 3 单晶基底上的p s t 薄膜，其介电常数可达3 1 0 0 ，可调谐度 在外加电场为4 0k v c m 时可达4 8 i _ 7 】：2 0 0 5 年他们又报道了沉积于m g o 单晶基底 上的p s t 薄膜在高频下介电常数可达1 4 2 0 1 堋。可见单晶基底与薄膜间有很好的晶格 匹配度，从而大大提高了薄膜的介电常数。但是这样的单晶基底价格非常昂贵，不适 宜大量使用。相对而言，s i 基底价格低廉，经常使用的是镀有p t 的p t 厂r i s i 0 2 s i 基 底。可是直接沉积于p t 仍s i 0 2 s i 基底的p s t 薄膜由于其多晶结构，介电常数和可调 谐性都相对较低【1 蛆1 1 ，如2 0 0 2 年i c t 。k i m 等人报道的沉积于p t 上的p s t 薄膜，当 p b s r 为4 0 6 0 时，介电常数为3 3 5 ( f = 1 0 0k h z ) ，可调谐性为4 7 8 9 ( 外加电场 为2 5 0k v e m ) 1 1 9 1 ，与沉积于单晶基底上的p s t 薄膜相比小了很多。为了既能使用 s i 基底，又能改善薄膜表面形貌及电学性能，我们考虑在p t t i s i 0 2 s i 基底与铁电薄 膜问加入过渡层。 目前有很多种材料可被用作过渡层，如z n 0 1 2 2 1 、b i 2 t i 2 0 7 i 1 、t i 0 2 1 u l 和m g o 等。 其中面0 2 薄膜由于其具有相对高的分电常数、损耗低、漏电流小及缺陷少的特点， 已被用作多种钙钛矿型铁电材料的过渡层，如用于b s t l 2 5 i 、p b t i 0 3 、p b ( z r , t i ) 0 3 1 2 6 2 s l 及b 蛳3 0 1 2 相关材料【2 例。其中p m u r a l t 等人报道了使用溅射沉积的方法，将结晶 的、几纳米厚的两d 2 薄膜作为过渡层，可使p z t 薄膜呈现( 1 1 1 ) 择优取向，而非晶的 m 0 2 薄膜对p z t 的晶格结构却没有影响1 2 6 , 2 7 。可见过渡层的结晶状况及厚度直接影 响到其对铁电薄膜的作用。本文我们使用溶胶凝胶法在p t t i s i 0 2 s i 基底上沉积很薄 的一层西0 2 薄膜，将其作为过渡层。同时我们选取p s t ( p b t - x s r x 2 瞪0 3 ，x = 0 4 、0 6 ) 和 b n t i 3 5 羽幽4 踊3 0 1 2 两种铁电薄膜，研究面0 2 过渡层对它们微观结构及电学性质 的影响。 归纳本文的工作，主要有以下两个方面： ( 1 ) 讨论t i 0 2 过渡层对不同组分p s t 薄膜结构及性质的影响。首先选取5a m 厚 的过渡层，研究其对p s t 4 0 及p s t 6 0 单层及多层薄膜微观结构的影响，然后讨论不 同厚度( o 瑚1 、5n m 、1 0n m 和2 0 r i m ) 的面0 2 过渡层对p s t 6 0 电学性质的影响， 9 1 i 0 2 过渡层对p s t 和b n t 铁电薄膜结构和电学性质的影响 第一章引言 并分析其原因。 ( 2 ) 讨论不同厚度( o n m 、5 n m 、1 0 n m 和2 0 n m ) 的n 0 2 过渡层对b n t 铁电薄 膜结构及性质的影响，说明把面0 2 薄膜作为过渡层，可以改善多种铁电薄膜的性质。 参考文献 f l l 殷之文主编，电介质物理学，科学出版社( 2 0 0 3 ) 1 2 jc s h w a n ga n ds h j o o ，j a p p l p h y s s 5 , 2 4 3 1 ( 1 9 9 9 ) 1 3 】m 1 ls h e n z g d o n g , z q c a n , a n ds b g e ，a p p l p h y s l e f t 8 0 ，2 5 3 8 ( 2 0 0 2 ) 【4 1b n a g a r a j ，s a g g a r w a l ，a n d1 lr a m e s h , j a p p l p h y s 9 0 ，3 7 5 ( 2 0 0 1 ) 1 5 1y s y a n g ，s j l e e ，s h l n ，b g c h a e ，a n dm s j a n g ，j a p p l p h y s 8 4 ，5 0 0 5 ( 1 9 9 8 ) 【6 1 i s t o l i c h n o va n da t a g a n t s e v , j 。a p p l p h y s 8 4 ，3 2 1 6 ( 1 9 9 8 ) 【7 l k y a m a b e ，m i n o m o t o ，a n dki m a i ，j a p n j a p p l p h y s 3 7 ，11 6 2 ( 1 9 9 8 ) 1 8 l a i k i n g o n , j p m a r i a , a n ds i cs r e i f f e r , n a t u r e4 0 6 ，1 0 3 2 ( 2 0 0 0 ) 1 9 ls m s z e , s e m i c o n d u c t o rd e v i c e s ：p h y s i c sa n dt e c h n o l o g y2 埘e d w i l e y , n e wy o r k , ( 2 0 0 2 ) 1 1 0 lk y o k o k aa n dt k a m a t a n n i ，j a p n j a p p l p h y s p a r t1 4 0 。7 1 8 ( 2 0 0 1 ) l l l l s o s h i oa n dt m a t s u o k a , j a p p l p h y s 7 1 ，3 4 1 7 ( 1 9 9 2 ) 1 1 2 l 钟维烈，鳗铁电体及有关材料的原理及应用，科学出版社( 1 9 8 9 ) 【1 3 1 j f o u s c k , f e r r o c l e e t r i c s1 1 3 ，1 3 ( 1 9 9 1 ) 1 1 4 1 a i k i n g o n s i cs t r e i f f e r , c b a s e e r ia n ds s u m m e r f e l t , m r sb u l l 2 1 4 6 ( 1 9 9 6 ) 【l s ls s u b r a h m a n y a m a n d e g o o , a c t a m a t e r 4 6 ，8 1 7 ( 1 9 9 7 ) 1 1 6 1h ，j c h u n ga n ds ，i w o o , j v a e s c i t e c h n 0 1 b1 9 , 2 7 5 ( 2 0 0 1 ) 1 1 7 1 s w l i l l ，y l i n ，j w e a v e r , w d o n n e r , x c h 舶，c l c h e r t , j c j i a n g ，e i m e l e t i s ，a n da b h a l l a , a p p l p h y s l e t t 8 5 ，3 2 0 2 ( 2 0 0 4 ) 【l s ls w l i i l ，j w e a v e r , 乙y u a n , w d o n n e r ，c lc h e n ，j c 。j i a n g ，e i m e l e t i s , w c h a n g , s w k i r c h o e f e r , j h o r w i t z , a n da b h a i l 盈a p p l p h y s l e t t s t , 1 4 2 9 0 5 1 0 t f 0 2 过渡层对p s t 和b n t 铁电薄膜结构和电学性质的影响 第一章引言 1 1 9 l 1 2 0 】 2 1 】 2 2 l 1 2 3 1 2 4 j 【2 7 】 1 2 8 】 1 2 9 j ( 2 0 0 5 ) k t k i ma n dc i k i m , t h i ns o l i df i l m s4 2 0 ( 1 ) 5 4 4 ( 2 0 0 2 ) m j a i n , s b m a j u m d e r , l 乙g u o ，a s b h a l l a , a n dr s k a f i y a r , m a t e r l e t t 5 6 ，6 9 2 ( 2 0 0 2 ) h j c h a n g , s j c h u n g , j h k i m , a n ds i w o o ，t h i ns o l i df i l m s3 9 4 ，2 1 3c 0 0 1 ) x s w a n g ，y j w a n g , j y ma n dz gl i l l ，s c r i p t am a t e r i a l i a4 6 ，7 8 3 ( 2 0 0 2 ) f z j i a n ga n dr c l 矗j o u r n a lo f c r y s t a lg r o w t h2 6 3 ，3 8 5 ( 2 0 0 4 ) k k a t o ，i cs u z u k i ，k t a n a k a , d f u , i cn i s h i z a w a , a n dt m i l d ，a p p l p h y s a 8 l ( 4 ) ，8 6 1 ( 2 0 0 4 ) h s v d m , h g k i m , i d r d m , k b a n dj c l ，a p p l p h y s l e t t 8 7 ， 2 1 2 9 0 3 ( 2 0 0 5 ) p m u r a l t , t m a e d e r ，l s a g a l o w i c z , s h i b o u x ，s s e a l e s e ，d n a n m o v i e ，r g a g o s t i n o ，n x a n t h o p o u l o s ，h j m