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脉冲激光沉积制备SrTiO_3薄膜的介电性质研究

段滨  
【摘要】:本论文采用脉冲激光沉积方法制备SrTiO_3 薄膜,通过优化薄膜的生长工艺参数,分析了微观结构对SrTiO+3薄膜介电性能的影响。运用AFM,XRD 等分析手段表征薄膜的微观结构性能,系统研究了基片温度,氧分压,激光能量和退火工艺对SrTiO_3薄膜生长工艺的影响。 比较不同氧压下沉积的STO 薄膜的X 射线衍射图谱,发现STO 薄膜的C轴晶格常数随着沉积氧压的减小而增加,较低氧压下沉积SrTiO3薄膜C 轴晶格常数会被拉长。同时对2Pa 和10Pa 氧压下沉积的薄膜制备平板电容器并进行测试,得到在-5V~5V 的偏压范围内,两者的可调率分别为53.2%和33.2%。结果表明:沿外加电场方向晶格常数的伸长有利于提高SrTiO3 薄膜电容器沿该方向的电容可调率。 在温度80K 下,对于平板电容器结构,2Pa 氧分压下沉积的STO 薄膜相对介电常数随测试信号振幅的增加而升高,而10Pa 氧分压下沉积的薄膜相对介电常数随信号振幅的增加变化较小。在80K~280K 的温度范围内,相对于10Pa 氧分压下沉积的STO 薄膜,2Pa 氧分压下沉积的STO 薄膜其介温关系曲线呈现出典型的介电弛豫特征:相对介电常数呈现峰值,峰值高度随信号频率的增加而下降,峰位随信号频率向高温方向移动。这表明薄膜内部氧空位浓度对薄膜介电响应有明显影响, 大振幅交流信号能激发高氧空位浓度SrTiO_3薄膜里的弛豫极化机构,使薄膜的相对介电常数增大。 通过XRD 图谱分析,沉积在MgO 和LAO 基片上的STO 薄膜会分别受到张应力和压应力的作用。对于叉指电容器,在-40~40V 偏压范围内,MgO 基片和LAO基片上制备叉指电容器的电容可调率分别为26.3%和22.4%。结果说明SrTiO_3薄膜在MgO 基片上受到张应力作用时,其电容可调性能会提高。


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