ZnO/BaTiO3异质结的液相法(CSD)制备及其电性能研究

摘要

金属-铁电-半导体(MFS)复合膜由于它们可应用于金属-铁电-半导体场效应晶体管(MFSFET)、非破坏性读出铁电存储器(NDRO FeRAM)、红外和紫外双色探测器、光电器件等领域,对其制备工艺以及性能研究愈加受到重视.本论文基于液相法(CSD),围绕ZnO、BaTi03(BTO)以及ZnO-BTO薄膜的生长与性能进行了系统的研究,并取得到一系列有意义的结果,主要包括以下内容：
　　 通过对ZnO薄膜生长的研究表明,其制备工艺对ZnO薄膜的结晶取向具有较大的影响。充足的氧气气氛有助于ZnO薄膜的生长；退火温度为550℃～650℃时,均能生长单一取向性很好的ZnO薄膜.随退火温度的升高,ZnO薄膜单一取向性变化不大,但表面粗糙度变大；与此同时,不同预处理温度及溶剂对ZnO薄膜的生长影响显著,且在不同溶剂下所形成的生长机理亦不同.以聚乙烯醇(PVA)水溶液为溶剂时,PVA-Zn的网络结构易控制(002)ZnO薄膜的取向；而以乙二醇甲醚(MOE)为溶剂时,ZnO薄膜的取向结晶更依赖衬底的表面结构.
　　 通过对BTO薄膜的生长研究表明,界面性质对BTO薄膜的生长影响较大.当BTO沉积在非晶的玻璃衬底上时,薄膜为多种取向并存；而在本实验条件下很难沉积在Pt(111)/Ti/Si02/Si衬底；沉积于LaNi03(100)/Si(100)衬底时,表现出很好的(001)BTO取向,可见BTO 的生长依赖于衬底的表面性质.同时,当研究不同镀膜厚度对BTO/LaNi03/Si薄膜生长时发现,厚度对薄膜取向影响不大,只影响表面粗糙度及平均粒度.
　　 利用ZnO、BTO薄膜的最佳工艺成功制备了ZnO/LaNi03、ZnO/BTO/LaNi03异质结,取向关系分别为(002)ZnO/LaNi03和(002)ZnO/(001)BTO/LaNi03,ZnO薄膜和BTO薄膜均为c轴结晶取向且样品的表面较为平整,粗糙度分别为10.5nm和12nm.
　　 ZnO薄膜的吸收光谱(Uv-vis)表明,其在可见光区的透过率为80％以上,禁带宽度约为3.24eV,这会对MFS界面态的能带结构影响很大.BTO薄膜的C-V曲线呈蝶形曲线,对称性低,说明薄膜内存在较多的可移动电子或电荷积累于薄膜与电极间的界面处,在薄膜内形成内置偏压.而在BTO薄膜表面沉积ZnO薄膜所形成的MFS结构,其漏电流比BTO/LNO薄膜还小,即增加ZnO薄膜层,有助于降低漏电流.而ZnO/BTO异质结的C-V曲线呈逆时针方向且为典型的MFS的C-V回线,表明主要由BTO薄膜的铁电极化产生而非电子注入.随频率的增大,存储窗口先增大后减小,有可能与少数载流子注入有关.ZnO/BTO铁电异质结的制备及性能研究验证了CSD法制备的ZnO/BTO异质结可用于室温下的记忆存储器.

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 概述

1.2 介电／半导体异质结的研究现状

1.2.1 ZnO薄膜

1.2.2 铁电薄膜

1.2.3 介电／半导体薄膜

1.3 常用的制备方法

1.4 本论文的选题及研究思路

2 实验方法与原理

2.1 CSD法制备薄膜过程

2.1.1 前驱体的制备

2.1.2 基片的清洗

2.1.3 前驱体的涂覆

2.1.4 湿膜的热处理

2.2 薄膜的分析与测试方法

2.2.1 X射线衍射法(XRD)

2.2.2 原子力显微镜(AFM)

2.2.3 拉曼光谱（Raman spectra）

2.2.4 紫外-可见-近红外分光光谱(Uv-vis)

2.2.5 扫描电镜(SEM)

2.2.6 介电性能测试

3 ZnO薄膜的制备与生长机理研究

3.1 氧压对ZnO薄膜生长的影响

3.2 退火温度对ZnO薄膜生长的影响

3.3 预处理温度及溶剂相互作用对ZnO薄膜的影响

3.4 机理研究

3.4.1 以PVA为溶剂

3.4.2 以乙二醇甲醚为溶剂

3.5 本章小结

4 BaTi03薄膜的制备及生长机理研究

4.1 BaTi03薄膜的制备工艺

4.2 基片对BaTi03薄膜生长的影响

4.3 镀膜层数对BaTi03薄膜生长的影响

4.4 BaTi03薄膜的生长机理

4.5 本章小结

5 ZnO/BaTi03异质结的制备与性能研究

5.1 ZnO/LaNi03/Si薄膜的制备

5.2 ZnO/BaTi03/LaNi03/Si异质结的制备

5.3 ZnO/BaTi03薄膜的性能研究

5.3.1 ZnO薄膜的禁带宽度

5.3.2 BaTi03薄膜的电学性能

5.3.3 ZnO/BaTi03薄膜的电性能研究

5.4 本章小结

结论

致谢

参考文献

在读期间已发表和待发表的论文