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本文研究了溅射沉积工艺参数对Pt电极上沉积BST组分梯度薄膜微结构与电学性能的影响。实验表明:BST组分梯度薄膜晶粒大小和晶化程度随着衬底温度的升高而提高,570℃下沉积的BST薄膜介电常数较大,介电损耗和漏电流密度较小。工作气压则直接影响到薄膜的沉积速率和表面形貌,在3.0Pa附近获得了最高的沉积速率,致密的结构和良好的电学性能。综合各种工艺参数得到沉积BST梯度薄膜的最佳工艺条件:570℃(衬底温度),3.0Pa(工作气压),2:5(氧氩比),在此工艺条件下制备的BST组分梯度薄膜经700℃退火1h,薄膜形成了较大晶粒尺寸,致密均匀的结构。在200kHz时梯度BST膜的介电常数为371.9,介电损耗为0.017,在375kV/cm外电场下薄膜的剩余极化2Pr为3.06μC/cm2,矫顽场Er为23.7kV/cm,在3V电压下薄膜的漏电流为1.76x10-6A/cm2左右。
为了改善BST组分梯度薄膜与Pt电极的界面结构,提高薄膜的电学性能,在下梯度BST薄膜与Pt电极之间插入了几种不同的缓冲层材料。实验结果表明:BT缓冲层的生长温度对BST梯度膜的电学性能影响比较明显,BT的生长温度为200℃时,界面最为平滑,有利于下梯度组分BST同质成核生长,XRD表现为(n00)取向生长,测得的梯度膜热释电系数较大(p=9.13×10-8C·cm-2.K-1),但介电性能不高。ZrO2和MgO缓冲层的厚度对下梯度组分BST薄膜电学性能影响比较明显,ZrO2的厚度为6nm时,ZrO2薄膜的晶化得到提高,能够有效促进下梯度组分BST薄膜的生长,实验测得BST组分梯度薄膜介电损耗比较小,但铁电性能比较差;MgO的厚度为5nm时,有利于下梯度膜异质成核,XRD表现为(111)取向生长,测得梯度膜的介电常数和铁电性能较好,但介电损耗较大,热释电性能较差。在BT(200℃)/MgO(5nm)复合缓冲层上沉积的下梯度组分BST薄膜晶粒分布均匀致密,尺寸较大,界面结构清晰,在测试频率为200kHz时,介电常数为411.5,介电损耗为0.017,在375kV/cm外电场下薄膜的剩余极化为10.26μC/cm2,矫顽场Er为78kV/cm,在3V处电压下薄膜的漏电流为6.95×10-8A/cm2,热释电系数为7.73×10-8C·cm-2.K-1,表明采用复合缓冲层可有效提高梯度BST薄膜的电学性能是可行的。
铁电薄膜的择优取向生长与衬底材料的晶体对称性以及晶格常数密切相关。论文分别选用MgO、SrTiO3和LaA1O3单晶材料作为衬底,研究了衬底材料对薄膜结构与性能的影响,实验结果表明,SrTiO3单晶衬底上制备的下梯度组分BST薄膜电学性能明显高于在其它衬底上制备的薄膜;在200kHz时,其ε为412.8,介电损耗为0.0223,外加375kV/cm电场时薄膜的2Pr为14.46μC/cm2,矫顽场Ec为92kV/cm,在3V时其漏电流为3.49x10-10A/cm2,所以SrTiO3(100)更适合作为BST组分梯度薄膜的衬底材料。