薄膜织构和残余应力表征及取向铁电薄膜的性能

摘要

由于薄膜材料往往具有基底支承，因此薄膜中往往存在有残余应力；又由于晶体本身存在的各向异性以及薄膜生长过程中往往处于各种各向异性外场下，如电磁场、温度场等等，故而薄膜中又往往存在有纤维型织构(又称丝织构)。丝织构和残余应力可认为是薄膜的本征属性，它们对薄膜的各种物理及力学性能具有重要的影响。
　　尽管织构表征方面已经存在多种成熟的方法，如极图法、反极图法、取向分布函数法(ODF)以及择优取向参数法等，但真正能够同时满足织构的定性、定量分析的方法目前也仅仅是取向分布函数法。显然，采用取向分布函数法分析丝织构显得过于奢侈。本文首先简化了丝织构的描述，而后基于 X射线ω扫描方法，提出了一种新的丝织构定性、定量表征方法。为验证所提丝织构表征方法的有效性，文中以沉积态 Pt薄膜为例，利用所提方法和 ODF法共同研究了 Pt薄膜中的织构。研究结果表明，所提方法能够有效且更为便捷的确定薄膜中的丝织构。
　　样品中残余应力的分析往往需要借助晶粒间相互作用模型。为有效便捷的分析薄膜中的残余应力，本文提出了一种局域晶粒间相互作用模型思想。局域模型仅仅束缚了参与衍射的晶粒的力学状态、而不是所有晶粒的力学状态，因而可以认为局域模型对样品中晶粒的力学状态的束缚远较以往传统模型的束缚弱，从而会使最终分析得到的残余应力结果更接近实际。为了验证所提的局域模型思想在分析样品残余应力时的有效性，文中基于两个极端传统模型提出了两个具体的相应局域模型，并利用这两个局域模型对同一个 Pt薄膜的残余应力进行了表征。同时，为了避免侥幸的结果出现，每一个模型都对三个晶面族进行了应力分析。研究结果表明，两个局域模型对三个晶面族应力分析结果都非常相近，说明在分析材料的残余应力过程中局域模型思想是非常有效的、能够较为便捷且准确的确定材料中的残余应力。
　　为具体明了丝织构取向、丝织构弥散度以及残余应力对钙钛矿型铁电功能薄膜体系的物理性能具有重要的影响，文中基于 Landau-devonshire理论、之前对丝织构的简化描述及电畴间相互作用假设，分别以具有丝织构的多晶2-2型BaTiO3/CoFe2O4多铁复合功能薄膜为例研究其磁电耦合性能、以具有丝织构的PbTiO3铁电薄膜为例研究其相变行为。在研究过程中，建立了以织构取向、织构弥散度和残余应力为变量的磁致电极化变化量和相变温度变化量的解析表达式，并通过数值模拟方法分别详细讨论了丝织构和残余应力对薄膜磁致电极化变化量和相变温度变化量的影响。
　　若铁电薄膜中各晶粒的相变在不同温度下进行，则在适当环境下薄膜会有多相共存，从而其某些物理性能将会易于常态情况。文中以具有(001)取向织构的多晶PZT52/48薄膜为例，通过对其(110)晶面不同倾角下的XRD物相扫描，证实了薄膜中 Cm相和 T相共存，而且衍射结果表明不同倾角下两相含量比例不同，说明 PZT52/48薄膜中存在相变弥散现象。而后，从力学平衡角度定性分析了 PZT52/48薄膜中相变弥散的原因，同时也证实了以往文献中提出的局域随机位移相变机制的有效性。文中对不同厚度(100)取向 PZT52/48薄膜铁电性能的研究结果表明，择优取向和其中的Cm相含量比例严重影响薄膜的电畴结构，从而严重影响薄膜的铁电性能；对不同厚度(100)取向 PZT52/48薄膜热释电性能的研究表明，随温度的升高，薄膜中发生的 Cm→T的弥散相变使薄膜的热释电效应随温度升高出现反常的变化趋势，更为重要的是薄膜中的 Cm→T的弥散相变能够有效增强薄膜的热释电性能，这一点在实际应用中具有重要意义。

目录

薄膜织构和残余应力表征及取向铁电薄膜的性能

CHARACTERIZATIONS OF RESIDUAL STRESSAND TEXTURE IN THIN FILM AND PROPERTIESOF ORIENTED FERROELECTRIC FILM

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 基于X 射线衍射技术的织构表征方法的研究现状

1.2.1 择优取向参数法

1.2.2 极图法

1.2.3 反极图法

1.2.4 三维取向分布函数(ODF)法

1.2.5 回摆扫描法

1.3 基于X 射线衍射技术的残余应力表征的研究现状

1.3.1 X 射线衍射几何的研究现状

1.3.2 晶粒间相互作用模型的研究现状

1.4 取向和残余应力对PZT 薄膜物理性能影响的研究现状

1.4.1 准同型相界附近PZT 相变行为及铁电性的实验研究现状

1.4.2 准同型相界附近PZT 相变及物理性能的热力学研究现状

1.5 本论文主要研究内容

第2章 试验材料及研究方法

2.1 试验材料及薄膜沉积设备

2.1.1 基底材料

2.1.2 薄膜沉积设备

2.2 薄膜材料的制备及工艺参数

2.2.1 Pt 薄膜的制备及工艺参数

2.2.2 溶胶凝胶法制备PZT 薄膜及工艺参数

2.3 研究方法

2.3.1 X 射线衍射分析

2.3.2 显微组织扫描电子显微镜观察

2.3.3 铁电性能测量

第3章 丝织构的简便定性及定量表征

3.1 引言

3.2 丝织构的择优取向与任一晶面的法线之间的关系

3.3 X 射线衍射ω扫描模式

3.4 X 射线衍射ω扫描得到的衍射强度的物理意义

3.5 基于X 射线衍射ω扫描模式的丝织构表征方法

3.5.1 定性表征方法

3.5.2 定量表征方法

3.6 ω扫描方法表征丝织构的实验验证

3.7 本章小结

第4章 局域晶粒间相互作用模型与具有丝织构的薄膜中应力表征

4.1 引言

4.2 局域晶粒间相互作用模型的建立

4.2.1 局域Voigt 模型

4.2.2 局域Reuss 模型

4.2.3 关于局域Voigt 模型和Reuss 模型的讨论

4.3 局域模型表征具有丝织构的薄膜中残余应力的实验验证

4.3.1 晶面311、222 和331 的取向概率分布函数

4.3.2 基于局域模型的Pt 薄膜中残余应力表征及结果讨论

4.4 本章小结

第5章 丝织构和残余应力对钙钛矿型铁电功能薄膜体系性能影响

5.1 引言

5.2 坐标系及坐标转换矩阵

5.3 织构和残余应力对多晶2-2 型BaTiO3/CoFe2O4 多铁复合功能薄膜磁电耦合性能的影响

5.3.1 具有丝织构的铁磁相中的磁致伸缩应变

5.3.2 具有丝织构的铁电相中的应力状态

5.3.3 具有丝织构的铁电相中的吉布斯自由能和极化强度

5.3.4 数值模拟及结果讨论

5.4 织构和残余应力对多晶PbTiO3 铁电薄膜相变行为的影响

5.4.1 具有丝织构的PbTiO3 薄膜中的吉布斯自由能和相变温度变化

5.4.2 数值模拟与结果讨论

5.5 本章小结

第6章 PZT 52/48 铁电薄膜的物相组成及其铁电性能的研究

6.1 引言

6.2 PZT 52/48 薄膜的形貌组织及择优取向

6.2.1 PZT 52/48 薄膜的形貌组织

6.2.2 PZT 52/48 薄膜的择优取向

6.3 (001)取向PZT 52/48 薄膜中的物相组成研究

6.3.1 (001)取向PZT 52/48 薄膜中的物相组成的确定

6.3.2 (001)取向PZT 52/48 薄膜相变弥散起因的定性讨论

6.4 (001)取向PZT 52/48 薄膜极化性能研究

6.5 (001)取向PZT 52/48 薄膜热释电性能研究

6.6 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历