外延钙钛矿结构铁电薄膜热力学性质的研究

摘要

随着现代科技的发展，微电子技术和计算机技术飞速发展，对高速、高容量新材料的需求越来越迫切。钙钛矿结构铁电材料因为其较高的介电性质、巨大的调谐性和相对较低的损耗，成为最引人关注的铁电材料，为微电子设备和微波装置性能的改进提供了可能。BaxSrl-xTiO3(BST)材料作为纯的BaTi03和SrTi03的复合物，其性质是由两种材料综合决定。当量子顺电体SrTi03中掺入适当浓度的铁电体BaTi03时，将会引入铁电性，出现由杂质诱发的顺电一铁电相变，因此BaxSrl．~Ti03根据材料中所含BaTi03浓度的多少将表现出顺电和铁电两种不同的结构相。SrTi03因为量子涨落的抑制作用即使在接近OK时仍然没有表现出铁电一顺电相交，但BaT／03的居里温度达到400K，通过调整合适的Ba2+和Sr2+的复合比例可以使BaxSrl．xTi03薄膜获得满足不同要求的温度特征，例如Bao．6Sro．4TiO3薄膜，其居里温度为280K，这将有利于在室温时获得巨大的介电常数。但对于外延BaxSrl-xTiO3薄膜因为其组分和微结构的不均匀性，薄膜内部的缺陷，以及基底和薄膜之间的晶格失配应变，导致外延薄膜产生许多有别于体材料和单晶材料的热力学性质。 应变是影响外延铁电薄膜的本征机制，内部应变包括正应变和剪应变，而正应变有张应变和压应变之分。当基底晶格参数大于薄膜晶格参数时，材料内部会产生张应变；基底晶格参数小于薄膜晶格参数时，意味着压应变的出现。当铁电材料外延生长于较厚的基底上时，剪应变的影响可以忽略。因为内部应变的影响，外延BaTi03薄膜将出现五个低温结构相，这有别于体材料的三个结构相，类似的影响也存在于外延的PbZr03薄膜中。当外延铁电薄膜生长在非立方基底上时，平面内双轴应变各向异性，导致平衡极化态的改变，从而产生新的相，这些相并不存在于生长在立方基底上的薄膜之中。 本文在朗道一德文希尔唯象模型的基础上，通过计入薄膜内部应变和自发极化，考虑了铁电序参量和应力之间的耦合作用，并运用了应力边界条件，获得了外延单畴的Bao．6Sro．4TiO3薄膜生长在较厚的立方基底MgO和LaAlO3上时，应变对处于四方C相(P1=P2=0，P3≠0)的薄膜电光性质的影响，其中应变的改变是薄膜厚度改变的结果。在朗道一德文希尔理论的基础上，通过考虑非立方基底所引起的薄膜平面内非平衡双轴各向异性应变，我们计算了生长在正交基底上的PbTiO3薄膜的极化分量和介电常数。进一步地，结合外电场的影响，我们考虑了在外电场影响下薄膜的介电调谐率。

目录

文摘

英文文摘

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第一章引言

第二章厚度对外延Ba0.6Sr0.4TiO3薄膜的电光响应的影响

第三章生长在正交基底上的铁电薄膜的介电行为

硕士期间论文发表情况

致谢