脉冲激光沉积钙钛矿铁电薄膜的动力学蒙特卡罗模拟

摘要

铁电薄膜在现代微电子、微机电系统、信息存储等方面有着广泛的应用前景，已经成为当前新型功能材料研究的热点之一。钙钛矿结构铁电薄膜如BaTiO3、PbTiO3、Pb(Zr，Ti)O3，(Pb，La)(Zr,Ti)O3等具因有优异的压电、铁电和热释电等性能而受到广泛的关注。脉冲激光沉积法是一种传统的薄膜生长技术，因其能保证薄膜的化学组分与靶材一致，常被用于生长多元化合物薄膜。迄今为止，已有许多文献报道了从实验上用脉冲激光沉积法制备钙钛矿铁电薄膜，但是关于钙钛矿铁电薄膜初期生长的研究很少。特定生长条件下钙钛矿铁电薄膜的三维生长机制尚有争议，各种工艺参数对钙钛矿铁电薄膜生长的影响也需要进一步的研究和解释。动力学蒙特卡罗(KMC)方法能够从原子尺度上研究薄膜的生长，它常被用于模拟金属薄膜和半导体薄膜的生长。但是由于晶体结构和生长机制的复杂性，很少有人用KMC方法模拟钙钛矿铁电薄膜的生长。本文基于传统的依赖于动能的KMC模型，根据钙钛矿结构的特点，建立一个二维KMC模型和一个三维KMC模型，并以BaTiO3薄膜为例，分别模拟了脉冲激光沉积钙钛矿铁电薄膜的亚单层生长和三维生长，研究了各种工艺参数对钙钛矿铁电薄膜生长的影响。主要内容如下：
　　 (1) 建立一个二维的KMC模型，不仅考虑了原子的沉积和原子在基底上的扩散，还考虑了原子按照钙钛矿结构成键。采用Born-Mayer-Huggins势计算原子间的相互作用，并定义了原子的成键率来反映薄膜的结晶程度。以BaTiO3薄膜为例，研究了亚单层生长阶段基底温度、激光脉冲重复频率和入射原子动能对钙钛矿铁电薄膜生长的影响。结果表明，岛密度随着基底温度、激光脉冲重复频率和入射原子动能的增加而降低。原子成键率随着基底温度和激光脉冲重复频率的升高而增加。当入射动能小于9.6 eV时，原子成键率随入射动能增加而增加，而当入射动能大于9.6 eV时，原子成键率在较高覆盖率阶段趋于饱和。当基底温度小于700 K时，基底温度对BaTiO3薄膜的生长影响很小。
　　 (2) 建立一个三维的KMC模型，考虑了原子的沉积、原子的扩散和原子的成键。在原子的沉积和原子的扩散过程中，允许悬挂原子的存在；原子按照钙钛矿结构进行成键。采用Born-Mayer-Huggins势计算原子间的相互作用，并考虑原子向下扩散时需克服Ehrilich-Schwoebel (ES)势的作用。以BaTiO3薄膜为例，研究了入射原子动能、激光脉冲重复频率和平均沉积速率对钙钛矿铁电薄膜三维生长模式以及表面粗糙度的影响。结果表明，BaTiO3薄膜各原子层的饱和覆盖率约为0.75。随着入射原子动能的增加和激光脉冲重复频率的降低，BaTiO3薄膜的生长模式从岛状生长模式向层状－岛状生长转变，薄膜表面的粗糙度也随之降低。平均沉积速率为1.0 ML/s和0.1 ML/s时，BaTiO3薄膜都是以层状－岛状模式生长。平均沉积速率为0.5ML/s时，BaTiO3薄膜以岛状模式生长，薄膜表面粗糙度也比前两者要高。
　　 模拟结果中，基底温度和入射原子动能对原子成键率的影响分别与Roemer，段滨等人的实验结果一致，而激光脉冲重复频率对薄膜表面粗糙度的影响则与Kim等人的实验结果符合得很好，这说明了本文提出的模型的有效性。本文的研究使我们更好地理解了钙钛矿铁电薄膜PLD生长过程中的一些现象，为钙钛矿铁电薄膜的材料设计提供了理论指导。