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钙钛矿结构薄膜的制备和性能研究

李亚巍  
【摘要】: 钙钛矿结构氧化物薄膜是当前国际上备受关注的功能材料,在微电子学、光电子学以及半导体器件等方面具有广阔的应用前景。本论文选取几种重要的钙钛矿结构氧化物薄膜材料,围绕薄膜以及铁电薄膜/导电氧化物薄膜异质结构的制备、电学性质、过渡金属掺杂及光学性质进行研究,取得了一些有意义的结果。主要内容如下: 1. 采用溶液化学方法在Si(100)衬底上制备LaNiO3(LNO)导电薄膜,研究了不同退火温度对薄膜结构的影响。发现在较低退火温度下得到(110)择优取向的LNO薄膜,较高退火温度下得到(100)择优取向的LNO薄膜。退火温度导致的薄膜不同择优取向可以用晶格失配关系和热应力来解释; 2. 分别研究了氧气气氛下和空气气氛下热处理对LNO薄膜的影响。发现氧气条件下热处理得到的LNO薄膜电阻率仅为空气条件下热处理得到的样品电阻率的一半,采用氧空位浓度对材料能带结构的影响解释了样品电阻率的变化; 3. 采用溶胶-凝胶法制备Pb(Zr, Ti)O3(PZT)薄膜,分析了不同锆钛比例对PZT薄膜的影响,认为PZT中各种带电的离子之间的电荷相互作用是引起晶格间距随锆钛比例变化的主要因素。研究了不同晶化温度对PZT的影响,发现较高的晶化温度可以提高Pt/PZT/LNO电容器结构铁电和介电性能。 4. 研究了不同气氛下热处理得到的LNO薄膜作为底电极对Pt/PZT/LNO薄膜性能的影响,发现在氧气条件下热处理的LNO薄膜作为底电极可以改善电容器结构的铁电性。低温后退火技术可以改善Pt上电极和PZT薄膜之间的接触,从而提高电容器结构的性能。 5. 采用溶胶-凝胶法在不同衬底上制备了BaTiO3薄膜。对BaTiO3薄膜的生长机理进行一定的探讨,认为在薄膜晶化过程中,同质成核和异质成核同时存在,相互竞争。 6. 采用表面光电压技术研究了BaTiO3/Si异质结构的光伏特性,发现异质结在可见光范围具有较强的光电压信号,可利用界面处的光生载流子的分离来解释。 WP=3 7. 利用椭偏光谱技术研究了薄膜的光学性质,发现薄膜的折射率和消光系数分别遵从Chauchy色散关系和Urbach吸收关系。发现采用不同的衬底对薄膜的光学性质有较显著的影响。 8. 分别选用Mn、Co、Ni、Cu四种元素对BaTiO3进行低浓度掺杂。发现掺杂浓度对材料的带隙宽度有影响。利用混合晶体半导体的带隙宽度随掺杂指数的变化来解释Mn、Co、Ni掺杂的样品中带隙宽度随掺杂浓度线性变化的现象;把Cu掺杂导致的带隙宽度的变化归因于Cu2+的不等价掺杂导致的阳离子空位浓度的变化。


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