磁控溅射法制备BaSrTiO铁电薄膜及其电性能研究

摘要

(Ba,Sr)TiO3(简称BST)是由BaTiO3和SrTiO3形成的固溶体，它集中了BaTiO3的高介电常数和SrTiO3结构稳定的特点，因此作为红外探测器用材料具有广阔的应用前景。 本文首先用传统的固相烧结工艺制备了Ba0.65Sr0.35TiO3陶瓷靶材。实验结果表明，在940℃预烧2h，1300℃烧结2h是最佳工艺条件。在此工艺条件下制备的BST陶瓷靶材在室温下介电常数为5721，介电损耗为0.0069，外加2.5kV电压时剩余极化为8.2μC/cm2，矫顽场为7.8kV/cm。 其次，在Si衬底上摸索磁控溅射法制备BST薄膜的工艺条件，通过研究衬底温度、O2/Ar比和工作气压等工艺参数对薄膜结构的影响，得到最佳工艺条件为衬底温度600℃、O2/Ar比1：2、工作气压3.0Pa。 在此工艺条件下，应用R.F.磁控溅射法在Pt、Ru、RuO2和Pt/RuO2四种电极上制备了BST薄膜，分析了薄膜的微观形貌和电学性能，实验发现，Pt电极上制备的BST薄膜表面结构更加致密，晶粒生长均匀，晶粒尺寸在100nm左右。在室温，频率为100kHz条件下，介电常数为437.8，介电损耗为0.023;600kV/cm电场下，2Pr为8.4μC/cm2，Ec为89kV/cm;3V偏压时，漏电流为1.1×10-8A。这些结果证明Pt电极上制备的BST薄膜性能优良，符合开发热释电红外探测器材料的要求，但Pt底电极难以刻蚀出微图形是制约其应用的关键所在。而Ru和RuO2电极虽然在微图形的刻蚀上容易实现，但在它们上生长的BST薄膜的电学性能严重劣化，因此也无法使用。在对Pt/RuO2复合电极上生长BST薄膜的研究中发现，其BST薄膜的性能与Pt电极上薄膜相近，而且Pt/RuO2复合电极容易刻蚀，因此Pt/RuO2是完全可以取代Pt作为后续器件开发的底电极材料。XPS的研究发现，BST/Ru的界面扩散行为明显，其界面厚度达到10nm，BST/Pt之间具有更加稳定的界面状况，其界面厚度仅为6nm。 为了进一步提高Pt电极上BST薄膜的性能，在BST薄膜与Pt电极之间插入一中间缓冲层。实验结果发现，YSZ、BT和YBCO三种缓冲层都可以降低BST薄膜的漏电流。YSZ缓冲层还可以明显降低BST薄膜的介电损耗；BT缓冲层则可提高BST薄膜的介电常数；YBCO缓冲层上的BST薄膜则可获得优良的铁电性能。

目录

文摘

英文文摘

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1绪论

2 Ba0.65Sr0.35TiO3陶瓷靶材的制备工艺和结构性能表征

3磁控溅射法在Si衬底上制备Ba0.65Sr0.35TiO3铁电薄膜的工艺研究

4不同底电极对BST薄膜结构和电学性能的影响

4.1 Pt电极上生长Ba0.65Sr0.35TiO3铁电薄膜

4.2 Ru电极上生长Ba0.65Sr0.35TiO3薄膜

4.3 RuO2电极上生长Ba0.65Sr0.35TiO3薄膜

4.4 Pt/RuO2复合电极上生长Ba0.65Sr0.35TiO3薄膜

4.5不同电极上生长Ba0.65Sr0.35TiO3薄膜的界面特性研究

5不同缓冲层对BST铁电薄膜结构和电学性能的影响

6全文总结

参考文献

致谢

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