退火处理对LaAlO3薄膜结构和发光特性的影响

摘要

长期以来,钙钛矿结构氧化物材料具有良好的介电性、铁电性、光电性、铁磁性、超导等性质,引起人们广泛的关注。铝酸镧(LaAlO3)是一种宽禁带钙钛矿氧化物材料,它具有晶格匹配好、介电常数大、热稳定性好、光学带隙宽等优点常被用作高温超导衬底材料及光电材料。近年来,具有伪立方钙钛矿结构的LaAlO3薄膜是一种比较理想代替SiO2作为金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)栅极电介质材料的高介电常数材料。此外,LaAlO3晶体在电子器件、催化、高温燃料电池等方面得到了广泛应用。
　　 本论文采用射频磁控溅射方法在p-Si(100)衬底上制备了LaAlO3薄膜,氩气作为溅射气体。在空气气氛下,对样品进行不同温度的后退火处理。通过X射线衍射仪(XRD)、原子力显微镜(AFM)等测试手段表征了LaAlO3薄膜的结构和表面形貌,研究了退火对结晶状况和表面粗糙度的影响。
　　 XRD和AFM研究结果表明:本文在Si衬底上生长的LaAlO3薄膜是非晶的,样品经900℃退火开始由非晶向晶体转变,说明高温退火有利于提高结晶质量。随着退火温度的提高,表面粗糙度也明显增加。
　　 利用吸收光谱和光致发光谱分析了LaAlO3薄膜的光学特性,并研究了退火处理对薄膜发光特性的影响。通过对退火前后样品光致发光谱(PL)测量发现样品在368nm、470nm位置处分别出现发光峰,但峰位基本保持不变。各峰的强度随退火温度的升高逐渐增强,这和薄膜结晶质量的提高有关。根据吸收光谱和缺陷能级图,推测出368nm紫光峰来源于电子从氧空位形成的缺陷能级到价带顶能级的跃迁,470nm附近的蓝光峰归因于电子从Al La错位缺陷能级到价带顶的能级跃迁。

目录

文摘

英文文摘

图表清单

注释表

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 LaAlO3晶体的结构、性质及应用

1.2.1 LaAlO3的晶体结构及相变

1.2.2 LaAlO3晶体的性能计算

1.2.3 LaAlO3的性质及应用

1.3 LaAlO3薄膜的制备及研究

1.3.1 化学气相沉积法

1.3.2 溶胶-凝胶法

1.3.3 溅射法

1.3.4 脉冲激光沉积法

1.3.5 分子束外延沉积法

1.4 LaAlO3材料光学特性研究

1.5 本文主要研究内容

第二章 LaAlO3薄膜的制备、退火处理及性能测试

2.1 射频磁控溅射原理

2.1.1 物质的溅射现象

2.1.2 磁控溅射原理

2.1.3 射频磁控溅射原理及特点

2.2 射频磁控溅射法制备LaAlO3薄膜

2.2.1 磁控溅射设备

2.2.2 溅射工艺参数及影响

2.2.3 LaAlO3薄膜的制备工艺流程

2.3 LaAlO3薄膜的后退火处理

2.3.1 退火设备介绍

2.3.2 退火实验过程

2.4 LaAlO3薄膜性能测试

2.4.1 结构分析

2.4.2 表面形貌分析

2.4.3 光学性质分析

2.5 本章小结

第三章 退火处理对LaAlO3薄膜结构和形貌的影响

3.1 测试仪器介绍

3.1.1 X射线衍射仪

3.1.2 多功能扫描探针显微镜

3.2 XRD结果与分析

3.3 AFM结果与分析

3.3.1 LaAlO3薄膜二维及三维表面形貌

3.3.2 粗糙度分析

3.4 本章小结

第四章 LaAlO3薄膜光学特性研究

4.1 引言

4.2 光谱测试仪器介绍

4.2.1 光栅光谱仪

4.2.1 荧光分光光度计

4.3 LaAlO3薄膜吸收光谱

4.4 退火处理对LaAlO3薄膜PL谱的影响

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

在学期间发表的学术论文、参与项目及获奖情况