界面对PZT铁电薄膜性能的影响

摘要

ABO3系钙钛矿结构铁电薄膜是一类强介电材料，其介电常数可高达102～106，由于具有优良的铁电、压电、热释电、电光、声光及非线性光学特性，具有其它材料不可比拟的优越性能，使得它在红外探测器、非挥发存储器、电光器件、机电耦合器件等众多方面具有广泛的应用前景。自20世纪90年代以来，一直是新型功能材料领域的研究前沿和热门，其中PZT由于剩余极化大而尤其受到人们的青睐。 对于薄膜，在较低的温度甚至室温下就可能发生显著的反应或互扩散。然而，在铁电薄膜/衬底间的互扩散和界面的结晶膜不好导致铁电体性能下降的问题一直未能得到很好的解决。PZT薄膜器件的基本结构是铁电薄膜夹在作为上下电极的导电膜中构成的“三明治”结构，在铁电薄膜/上下电极间会形成一层界面，会影响铁电薄膜的性能。 本文的目的是利用射频磁控溅射工艺在硅基(三种Si衬底：p型低阻Si(111)[简称p-Si]，n型低阻Si(111)[简称n-Si]，多孔Si(111)[简称PS-Si])上制备PZT铁电薄膜，分析界面对PZT铁电薄膜性能的影响。主要的工作内容包括以下几个方面： (1)LNO底电极的制备以p-Si为衬底，在不同的衬底温度下沉积LNO底电极薄膜，经不同的退火温度处理工艺。经XRD分析，在室温下沉积LNO薄膜，经500℃、550℃温度退火30mins，均出现Ni3Si(111)峰，同时获得LNO薄膜的钙钛矿相的(100)、(110)、(111)和(200)多结晶取向：随衬底温度的升高，Ni3Si(111)峰减弱了，LNO钙钛矿相(200)峰增强了，表现为择优取向(100)。 (2)PZT铁电薄膜的制备在LNO/p-Si衬底上溅射沉积PZT铁电薄膜，结果表明，在衬底温度260℃下沉积的PZT薄膜出现微弱的钙钛矿相结构的(111)衍射峰；但经650℃后退火15mins处理，除原有的PZT钙钛矿相(111)峰之外，还出现了(110)和(200)峰，最强的是(110)峰；PZT薄膜经后退火处理，表面起伏有所增大，铁电性能有了较大的提高，漏电流降低了3个数量级。 (3)PZT/Si界面对PZT铁电薄膜性能的影响在p-Si和PS-Si基上分别直接制备PZT铁电薄膜，分析表明，在p-Si上生长的PZT铁电薄膜是(111)择优取向生长的，有对称的电滞回线，而在PS-Si上生长的PZT铁电薄膜是(110)择优取向生长的，其电滞回线存在严重的不对称性。 (4)LN0底电极/Si基底界面对PZT铁电薄膜性能的影响在n-Si，p-Si和PS-Si上先后制备LNO底电极和PZT铁电薄膜，分析表明，都出现PZT钙钛矿相的多结晶取向，但是LNO/PS-Si上生长的PZT薄膜有较强的衍射峰；在LNO/p-Si衬底比在LNO/n-Si衬底上生长的PZT铁电薄膜铁电性能更好，但是在LNO/PS-Si上生长的PZT铁电薄膜的铁电性能又有较大的提高。 (5)PZT/底电极界面对PZT铁电薄膜性能的影响在ZnO/A12O3和Pt(111)/Ti/SiO2/Si上分别先后制备LNO底电极和PZT铁电薄膜，分析表明，PZT/LNO/ZnO样品呈现PZT(110)、(111)和(200)多结晶取向，而PZT/LNO/Pt样品呈现单一的PZT(110)取向。 (6)项电极/PZT界面对PZT铁电薄膜性能的影响在PZT/LNO/Si上分别制备Ag、Cu和LNO顶电极，分析表明，在钙钛矿相多结晶取向(100)、(111)和(200)的LNO薄膜上制备的PZT铁电薄膜呈现钙钛矿相(100)择优取向；在PZT/LNO/Si样品上制备不同的顶电极，虽然PZT薄膜的结构相同，但性能出现差异，用LNO作顶电极的样品比用金属(Ag和Cu)作顶电极的样品具有更大的饱和极化、剩余极化和较小的矫顽场，在1V测试电压下，LNO/PZT/LNO/Si样品的剩余极化达Pr=12μC/cm2，而用金属Ag、Cu作顶电极的样品的剩余极化只有2～4μC/cm2。

目录

文摘

英文文摘

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第—章引言

第二章薄膜的界面

第三章实验方法与测试技术

第四章LNO底电极和PZT铁电薄膜的制备

第五章界面对PZT铁电薄膜性能的影响

总结

攻读硕士学位期间发表论文

致谢