ZnSnO3铁电薄膜的制备与性能研究

摘要

铁电薄膜具有压电、铁电、介电、热释电、光电效应以及非线性光学效应等多种特征，被普遍应用于微电子设备的生产中。人们利用这些性能制作各种功能器件，包括存储器件、传感和换能器件、光电子器件等。如今，钙钛矿材料还是人们争相研究的热点。但是，传统的钙钛矿铁电薄膜如PZT制作的器件存在许多不足，如尺寸效应、界面问题、兼容性问题以及含Pb氧化物带来的环境污染等，不仅制约了集成器件的可靠性和寿命，而且大大阻碍了铁电薄膜的成长。
　　最近一种具有LiNbO3结构的ZnSnO3表现出了铁电性，LiNbO3是一种自发极化最大（约70-80μC/cm2）的铁电材料之一，空间群R3c，是一种优秀的铁电材料。ZnSnO3是一种新型功能材料，由于它具备的铁电性、气敏特性、光催化特性等，普遍用作TCO玻璃、气敏传感器等，具有很好的研究和应用的价值。
　　本文选用LiNbO3型 ZnSnO3作为研究对象。采取脉冲激光沉积法（PLD），分别在Pt/Si衬底和蓝宝石衬底上制备ZnSnO3薄膜，研究了薄膜与半导体材料Si和Al2O3的集成。主要研究了制备薄膜的工艺。同时对ZnSnO3薄膜的电学性能进行了测试分析。本文的主要工作和结论如下：
　　1、本文采取PLD法在Pt/Si衬底上制备ZnSnO3薄膜，探索了薄膜生长的最佳工艺。研究表明当氧分压、沉积温度、激光能量和缓冲层对ZnSnO3薄膜的性能有显著的影响。30 Pa氧分压下，薄膜的漏电流较小，结晶质量最好；在600℃时，薄膜表现出单一的（006）取向，与ZnSnO3单晶材料衍射峰位置一致。120 mJ激光能量下制备的ZnSnO3薄膜结晶质量最好，薄膜的表面形貌也最好，粗糙度最低。引入 ZnO缓冲层，对ZnSnO3薄膜的结晶质量和电学性能有明显的提升，漏电流密度降低了1个数量级。
　　2、除了Pt/Si衬底，在蓝宝石衬底直接沉积了ZnSnO3薄膜，薄膜出现了ZnSnO3的（006）衍射峰，采用ZAO作为底电极，粗糙度RMS为2.23 nm，薄膜表面平整致密。同时研究了薄膜漏电流与退火工艺的关系，随着退火温度的升高，薄膜表面粗糙度和晶粒尺寸也变大，漏电流增大，分段退火可以有效的减小薄膜的漏电流密度。而ZnSnO3薄膜的铁电性能分析表明：随着退火温度的升高，薄膜的剩余极化强度表现出先增大后减小的趋势，并在600℃时达到最大。薄膜的漏电流密度和剩余极化强度与薄膜的厚度呈线性关系。薄膜抗疲劳测试说明，ZnSnO3薄膜在经过3×109次反转后，薄膜的剩余计划强度下降了27.5％。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 铁电材料

1.3 铁电薄膜的研究现状及应用

1.4 LiNbO3铁电材料概述及应用

1.5 ZnSnO3概述

1.6 论文选题及研究方案

第二章 薄膜的制备工艺及表征方法

2.1常用的薄膜制备方法

2.2 脉冲激光沉积（PLD）原理及特点

2.3薄膜微观结构表征

2.4 薄膜电学性能测试

第三章 Pt/Si衬底上ZnSnO3薄膜制备工艺研究

3.1 PLD法制备ZnSnO3薄膜

3.2 氧分压对ZnSnO3薄膜的影响

3.3 生长温度对ZnSnO3薄膜的影响

3.4 激光能量对ZnSnO3薄膜的影响

3.5 ZnO缓冲层对ZnSnO3薄膜的影响

3.6 最优条件下ZnSnO3薄膜性能测试

3.7 章节小结

第四章 Al2O3衬底上ZnSnO3薄膜的制备

4.1 Al2O3衬底上制备ZnSnO3薄膜

4.2 ZnSnO3薄膜的漏电分析

4.3 ZnSnO3薄膜铁电性能分析

4.4 本章小结

第五章 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果