ABO型薄膜生长特性的计算机模拟与实验验证

摘要

本论文通过理论推导和计算机模拟，对ABO〈，3〉型氧化物薄膜的生长机制进行了较为深入的研究，并利用所得的规律指导实验。论文研究工作主要从以下几个方面进行：①针对物质源为分子源的情况，模拟了SrTiO3薄膜的初期生长过程，由于计算能力的限制，物质源简化为SrTi03、SrO、Ti02三种分子，分别模拟了不同沉积速率，不同基底温度下薄膜初期生长情况；②以ABO3型多元氧化物薄膜的生长是通过晶胞的扩散来实现为理论基础进行模拟，考虑了晶胞初始动能的影响，采用动力学蒙特卡罗方法发展了模拟SrTi03薄膜外延生长的三维模型及模拟算法。使用此模型，对不同沉积速率，不同沉积温度，以及不同沉积晶胞初始动能时，ABOm〈，3〉型多元氧化物(以SrTiO〈，3〉为例)薄膜形貌的详细演化过程、生长模式、表面粗糙度、初期岛等进行了详细的研究，讨论了初期岛．生长模式．表面粗糙度的关系；③理论推导了成膜粒子动能对薄膜晶化温度的影响，利用磁控溅射装置在Si(001)基底制备BaTiO〈，3〉薄膜加以验证，并将工艺推广到了Pt／Ti／SiO〈，2〉／Si基底，还对近室温制备工艺下得到的BaTiO〈，3〉薄膜的物象结构、元素组成和表面粗糙度及其电学性能进行了分析和表征。通过上述工作，本论文得出如下具有创新意义的研究成果： 1．在对SrTiO〈，3〉薄膜成膜初期的模拟中，考虑物质源仅局限于SrTiO〈，3〉SrO、TiO〈，2〉三种分子；计算程序是基于课题组已有程序并进行必要的修改；模拟结果表明，随着基底温度的升高，SrTi03薄膜中SrO和HiO<，2>分子碰撞结合的概率增大，导致了SrO和TiO<，2>分子数目的不断减少，直到为0，此时薄膜完全由SrTiO<,3>分子组成。模拟和实验结果比较接近。2．基于ABO<,3>型多元氧化物薄膜生长是基于晶胞的形成与扩散这一现象，在课题组已有的模拟ABO<,3>型薄膜外延生长的三维模型及模拟算法的基础上，加入了沉积晶胞初始动能的因素，进一步丰富和发展了已有的模型。包括：模拟了不同基底温度、不同沉积速率、不同晶胞初始动能时外延ABO<,3>型薄膜(以SrTiO<,3>为例)生长的详细的三维形貌演化过程，讨论了生长条件与生长模式的关系；研究了不同工艺条件对表面粗糙度和初期岛的影响，研究了初期岛-生长模式-表面粗糙度的关系。在低的沉积速率下，设定适当的激活能，该模型可以用来辅助设计外延生长的实验参数。 3．结合在Si基底上直接制备高度(001)/(100)取向的BaTiO<,3>膜的难题，从理论上进行了分析；在肯定Si(001)基底模板效应的基础上，推导了在基底不加热的条件下，若要制备BaTiO<,3>薄膜所需要的工艺条件。 4．根据理论上推导出来的工艺路线进行了实验验证，在(001)Si基底制备了高度(001)/(100)择优取向的BaTi03膜，粗糙度较低，薄膜表面略富Ti。将用这种近室温条件下制备BaTiO<,3>薄膜的工艺推广到 Pt/Ti/SiO<,2>/Si基底上，也得到了高度(001)(100)择优取向的BaTiO<,3> 膜。

目录

文摘

英文文摘

第一章.引言

第二章.基于分子源的SrTiO3薄膜外延生长的模拟

第三章在晶胞层次SrTiO3型薄膜的外延生长的模拟

第四章近室温条件下制备BaTiO3薄膜的理论分析和实验验证

第五章主要结论和进一步研究工作的建议

参考文献

作者在攻读硕士学位期间参加的研究项目

攻读硕士学位期间发表和投寄的论文

致谢

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