（材料物理与化学专业论文）bst类铁电薄膜生长机理与应力调制研究.pdf

摘要 b a 。s l 。t i 0 3 ( o _ x _ 1 ) 类钙钛矿型铁电薄膜因其独特的物理特性和宽广的应用 前景受到了物理和材料学家们的广泛关注，成为近年来铁电学研究最具吸引力的 热点问题。然而对于这类结构复杂的多元氧化物薄膜而言，其晶格结构和特性比 一般的二元氧化物薄膜，单元素的金属或半导体薄膜要复杂得多，因此无论是理 论研究还是高质量薄膜的制备都受到一定的制约，一些重要的物理现象和机理仍 不清楚，尤其是在薄膜的生长机理，生长动力学以及表面微观结 句控制的研究中 存在一些亟待解决的问题，而当薄膜的厚度降低到纳米尺度以后这些问题更加突 出，在一定程度上阻碍了铁电薄膜器件的快速发展。 本论文以b s t 类薄膜作为研究对象，从实验入手对材料的生长工艺、生长 动力学过程、生长机理以及表面微结构控制做了大量探索性、创新性工作，并在 此基础上对这些问题的内在物理机制做了较为深入的研究和探讨，主要内容如 下： 1 b s t 类薄膜生长的模式控制与动力学研究 ( 1 ) 利用激光分子束外延技术，通过多种分析表征手段确定b s t 类铁电薄膜 的层状，层岛混合，岛状生长模式，发现生长温度是影响薄膜生长过程中e s 扩 散势垒的主要因素，而扩散势垒和沉积速率的变化决定了生长模式的改变，即在 高温、低沉积速率时，薄膜主要以二维层状模式进行生长，而在低温、高积速率 下，薄膜则以三维岛状模式生长为主，从二维模式生长向三维模式生长的过渡则 表现为层岛混合生长模式。优化薄膜的生长条件，利用反射式高能电子衍射，通 过衍射强度振荡曲线及衍射图样，实现对b s t 类薄膜生长模式的控制，首次绘 制出s r t i 0 3 ，b a t i 0 3 薄膜生长模式图谱。 ( 2 ) 确定了b s t 铁电薄膜的动态和静态最低晶化温度，首次发现s r t i 0 3 ， b a t i 0 3 ，b a o5 s r o5 t i 0 3 三种铁电薄膜可以分别在2 8 0 、3 3 0 、3 4 0 c 的低温下实 现外延层状生长，同时建立了b s t 类铁电薄膜的低温生长动力学模型。 2 b s t 类薄膜原胞生长的动力学过程与机理研究 ( 1 ) 利用反射式高能电子衍射研究了b s t 类薄膜表面扩散过程，通过 a r r e h e n i u s 模型测量计算了薄膜的表面活化能，沉积粒子在表面的有效扩散率。 ( 2 ) 利用x 射线衍射、原子力显微镜，发现b s t s i ( 1 1 1 ) 薄膜的多原胞生长 现象，即薄膜以b a t i 0 3 原胞为生长单元在表面成核、扩散运动、结合生长，在 沉积速率很高时，原胞“自我复制”的能力较大，薄膜每一个单层由多个原胞相互 上下排列叠加构成，即多原胞单层生长模式；当沉积速率逐渐较小，形成多个晶 胞团簇的能力逐渐降低，最终导致1 个原胞即可独立构成一个薄膜单层，即单原 胞单层生长模式。 ( 3 ) 在大量的实验事实基础上，首次提出了b s t 类薄膜原胞生长动力学模 型，即b s t 类薄膜生长( 在基片表面成核、扩散运动、结合生长) 的主要单元 是以t i - o 八面体为主体的单原胞。针对多元氧化物原子团簇的形成机理和动力 学过程，分析了激光等离子体中各粒子闯主要的氧化反应通道，建立非平衡条件 下b s t 单原胞形成的动力学唯象模型，进一步从微观上研究了b s t 类薄膜的生 长机理。 3 b s t 薄膜异质外延生长与应力释放 ( 1 ) 利用r h e e d 研究了s r t i 0 3 l a a l 0 3 ( 1 0 0 ) 薄膜生长过程中应力释放的 变化规律，发现在薄膜材料生长的初期。薄膜层晶体以赝晶结构在村底表面呈稳 定的二维层状生长。当薄膜厚度超过临界厚度后，弹性应变以形成失配位错的形 式得到释放，薄膜应变释放的整个过程是由整个系统的表面能、应变能和位错能 共同决定。 ( 2 ) 通过对比临界厚度的理论计算与实验结果，发现实验值与经典弹性应变 理论值符合较好，但仍有一定的差异，这是由于理论计算时没有考虑生长温度以 及释放应变形成位错时动力学势垒的影响。实际上在生长温度较低时，位错的移 动性很小，能够提供给位错移动的热动能很小，不足以提供足够的能量驱动位错 克服动力学势垒进行迁移，最终导致薄膜中的应变释放速度很小，应变完全释放 厚度很大。薄膜表面结构成应变岛状；而在高的生长温度下，驱动位错跳跃动力 学势垒的能量增加，位错能够不断的形成和快速的移动，应变完全释放厚度越小， 薄膜表面容易形成面内织构，从而很快的释放薄膜中的应力。 4 b s t 类薄膜自组织生长与应力调制作用 ( 1 ) 系统研究了不同应力状态下薄膜异质外延生长的动力学过程以及两种 不同性质的应力对薄膜结构的影响，发现了异质外延生长过程中的非对称生长现 象，即张应力通过改变薄膜晶胞参数，逐层释放应变压应力通过改变薄膜表面 结构来逐渐释放。利用这种非对称生长实现了b s t 类薄膜有序、周期性的自组 织生长，建立了形成有序的周期性纳米结构的生长模型，提出了利用这种特殊的 纳米结构作为模板来构造铁电( 多元氧化物) 量子线的研究思路。 上述研究结果发表在j a p p p h y s ，j v a c s c i t e c h n 0 1 b ，j c r y s t a lg r o w t h ， j m a t e r s c i ，等国内外重要期刊上。 关键词：铁电薄膜，b s t ，生长机理，应力调制，自组织生长，纳米结构 玎 a b s t r a c t s c i