钙钛矿型铁电薄膜微观结构与电机械性能的关系探讨
钙钛矿型(ABO3)铁电薄膜是电子工业中重要的功能型器件的原材料来源之一,其优异的铁电、压电、热释电等特性衍生出来各种驱动器与传感器,如:存储器、RF-MEMS开关、超声马达和红外探测器等。能够实现来自外界的机械刺激与电能之间的转换或利用电能实现相应的机械响应与控制。铁电薄膜的这些特点使得其在大数据、移动计算、自动化控制等多个核心与新兴领域的应用前景愈发广阔。目前微电子工业中常用的铁电薄膜基电子器件大多为单一成分的多晶结构,其自身的剩余极化强度小、电学性能差,无法体现薄膜小型化、易集成的优势,严重制约了 ABO3型铁电薄膜在微电子工业的广泛应用。铁电薄膜的电学性能具有显著的各项异性,制备择优取向甚至外延AB03型铁电薄膜,并在薄膜生长过程中对其进行应力调控和相调控,观察其微观结构在应力与电场作用下的演变过程,研究其微观结构对电学性能的影响。这些研究对ABO3型铁电薄膜在理论与实际应用方面均具有十分重要的意义与价值。在实验研究方面,本文选用钛酸盐系钙钛矿铁电材料,利用多靶射频磁控溅射制备技术沉积取向生长/外延铁电薄膜,研究薄膜中相结构与畴结构的演变规律,揭示其微观结构与电学性能之间的关系。
(1)基于弹性畴理论分析晶格失配带来异相多畴形成过程。在不同基体上制备外延BZT铁电薄膜,分别利用XRD、TEM、SHG和AFM等技术观察并分析薄膜中异相多畴结构的特征与演变过程,并将其与理论分析的结果——印证。采用不同的电学测试平台分别表征其铁电、介电性能随温度、频率、偏压电场的变化规律。结构分析与电学性能测试结果表明:T/R异相畴与R相高阶畴的形成不仅促进了 BZT薄膜储能密度的提高,而且对其储能效率的提升也有很大的贡献。
(2)利用双靶射频磁控共溅射技术在Pt/Ti/Si上生长单轴组分梯度变化的(1-x)BaTiO3-xBaSnO3(BT-xBS,0≤x≤0.20)钙钛矿薄膜,薄膜为(101)-取向生长且电机械性能随组分的变化而发生改变。组分在x = 0.028时,薄膜的相对介电常数存在极大值(925),在此组分附近其横向压电系数也存在极大值并在1.5 C/cm2-1.9 C/cm2之间变化,此横向压电系数与外延(001)取向的钛酸钡薄膜相比,约为其三倍左右。该结果表明BT-xBS薄膜作为压电MEMS器件的无铅化替代品有着很好的前景。
(3)选取(]00)-MgO基体,以Pt/SRO为底电极,制备外延Pb(Zr0.53Tio.47)O3薄膜。采用“小信号”e31,f测试方法记录90°与180°畴的动态反转过程。在这种“小信号”e31,f的测试过程中,偏压电场下横向压电响应的演变过程对应畴翻转过程的变化。此外,非对称的e31,f-V曲线表明在薄膜内部存在一个很大的内建电场;在标准的铁电电滞回线测试中也证实内建电场的存在。在压电悬臂梁样品上施加一系列的直流偏压(分别从0V到±30 V)电场,并对其做常规X射线的2θ-扫描;该XRD衍射结果与此前e3,1f测试揭示的畴反转过程基本一致。
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