铁电氧化物薄膜的制备及其激光感生电压效应

【摘要】：铁电薄膜是一类重要的功能薄膜材料,对其制备工艺进行研究,是集成铁电学发展的基础。本论文主要围绕四种钙钛矿型铁电氧化物(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3—xPbTiO3 (PMNT或PMN-PT)、Pb(ZrxTi1-x)O3 (PZT)、(Na1-xKx)0.5Bi0.5TiO3 (NKBT或NBT-KBT)和BaxSr1-xTiO3(BST)薄膜的脉冲激光沉积(PLD)工艺,以及薄膜中的激光感生电压(LTV)效应(后经验证该效应为热电效应,即激光感生热电电压效应(LITV))进行研究。获得的一些结果概括如下： 一、通过一系列优化实验成功制备出了不含焦绿石相的PMNT铁电薄膜材料,并首次在此类薄膜中发现了LITV效应。 具有钙钛矿结构的PMNT铁电薄膜在生长过程中,经常会产生一定量的焦绿石相,即生长的薄膜是由钙钛矿结构和焦绿石结构的混合相组成。钙钛矿相具有优越的铁电特性,而焦绿石相因结构是中心对称的则无此特性。因此,焦绿石相的存在会大大恶化PMNT铁电薄膜的铁电性能。文中通过一系列的优化实验,分别研究了各个工艺参数对薄膜生长的影响,包括沉积温度、沉积氧压、后退火、降温速率、脉冲激光能量以及频率等,结果发现各个工艺参数对薄膜生长都有着不同程度的影响,其中沉积温度的影响最大。对于不同组份的PMNT薄膜沉积温度大都不同,且纯钙钛矿相薄膜的生长温度范围很窄,大约在±2℃的范围以内。这样苛刻的生长条件在其它薄膜中是很少见的,这可能也是一直以来PMNT铁电薄膜利用PLD技术难以制备的主要原因。另外,在PMNT铁电薄膜中还首次发现了LITV效应。其中,在波长为248nm的紫外脉冲激光的辐照下0.50PMN-0.50PT薄膜中的LITV信号相对较好。 二、首次研究了掺杂元素对PZT铁电薄膜中LITV信号的影响,结果发现某些掺杂元素(如Na)的引入可以明显增大薄膜中的LITV信号。 通过研究组份和掺杂元素对信号大小的影响发现,在能量为0.16J/cm2的紫外脉冲激光辐照下,Pb(Zr0.03Ti0.97)O3铁电薄膜中的LITV信号最大,峰值电压为60mV,而在Pb(Zr0.53Ti0.47)O3铁电薄膜中,掺杂元素Na时LITV信号最大,峰值电压为61mV。这与不掺杂的Pb(Zr0.53Ti0.47)O3铁电薄膜中的LITV信号(峰值电压为41mV)相比,其峰值电压增大了近1/2倍。 三、研究了衬底对NKBT铁电薄膜结晶质量的影响,并在20°倾斜的铝酸锶钽镧单晶衬底上生长的薄膜中首次发现了LITV效应。 分别在LaA103 (LAO)、(La,Sr)(Al,Ta)O3 (LAST)及SrTiO3(STO)三种不同的单晶平衬底上制备了一系列无铅NKBT外延铁电薄膜。摇摆曲线的半高宽(FWHM)显示在LAST单晶衬底上生长的薄膜结晶质量最好。另外,在20°倾斜的(La,Sr)(Al,Ta)O3单晶衬底上生长的(Na1-xKx)0.5Bi0.5TiO3铁电薄膜中还首次观察到了LITV信号。发现在能量为0.48mJ/pulse的紫外脉冲激光辐照下,其最大激光感生电压为31mV。 四、研究了氧压对Ba0.6Sr0.4TiO3铁电薄膜晶格常数的影响,制备出了表面最大均方根粗糙度仅为0.3048nm的BaTiO3/Ba0.6Sr0.4TiO3超晶格,并在倾斜单晶衬底上制备的不同周期BaTiO3Ba0.6Sr0.4TiO3超晶格中还首次发现了在单层膜及[(SrTiO3)15s/(Ba0.6Sr0.4TiO3)7.5s]20和[(BaTiO3)15s/(SrTiO3)7.5s]20超晶格中都没有发现的LITV效应。 经一系列的优化实验,首先成功地制备了不同组分的BaxSr1-xTiO3外延膜。随着氧压在10-3-25 Pa范围内逐渐增大,Ba0.6Sr0.4TiO3薄膜的晶格常数与氧压之间近似满足Boltzmann函数关系。其次,在此优化条件下还制备出了高质量的BaTiO3/Ba0.6Sr0.4TiO3超晶格,AFM测试结果表明BaTiO3/Ba0.6Sro.4TiO3超晶格的最大均方根粗糙度仅为0.3048nm,薄膜表面达到了原子尺度的光滑。另外,在超晶格的X射线衍射(XRD)图谱中还清楚地观察到了卫星峰,根据(002)衍射峰周期调制的卫星峰计算了超周期,得到了BaTiO3和Ba0.6Sr0.4TiO3薄膜的沉积速率。最后,在倾斜单晶衬底上制备的BaTiO3/Ba0.6Sr04TiO3超晶格中还首次发现了在单层膜及[(SrTiO3)15s/(Ba0.6Sr0.4TiO3)7.5s]20和[(BaTiO3)15s/(SrTiO3)7.5s]20超晶格中都没有发现的LITV效应。