【摘 要】
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锆钛酸钡(Ba ZrxTi1-xO3,BZT)铁电薄膜作为钛酸钡基铁电薄膜的一种,不仅具有良好的压电性、铁电性、非线性光学等性质,而且具有比BTO薄膜更高的介电常数、更低的漏电流等优势,近年来受到广泛关注。同时,BZT铁电薄膜便于制作体积小、易集成、驱动电压低的元器件,有利于电子元器件的微型化与集成化,在微电子、微机械、非线性光学器件等领域中有着广阔的应用前景。众所周知,铁电薄膜具有各向异性,并且
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锆钛酸钡(Ba ZrxTi1-xO3,BZT)铁电薄膜作为钛酸钡基铁电薄膜的一种,不仅具有良好的压电性、铁电性、非线性光学等性质,而且具有比BTO薄膜更高的介电常数、更低的漏电流等优势,近年来受到广泛关注。同时,BZT铁电薄膜便于制作体积小、易集成、驱动电压低的元器件,有利于电子元器件的微型化与集成化,在微电子、微机械、非线性光学器件等领域中有着广阔的应用前景。众所周知,铁电薄膜具有各向异性,并且多晶结构铁电薄膜的电学性能较差。制备高度择优取向或外延取向的BZT铁电薄膜,对于其性能优化和实际应用均具有十分重要的意义。本文以在Sr Ti O3（STO）基底上制备Ba Zr0.2Ti0.8O3（BZT）铁电薄膜为研究重点,使用射频磁控溅射技术制备取向生长的BZT薄膜,分析其微观结构和电学性能。本文的主要研究内容如下:（1）选用多种射频磁控溅射工艺条件,以LNO为底电极,在（100）-STO单晶基底上生长BZT铁电薄膜。分析探讨溅射气氛、溅射气压、沉积温度和降温速率等对BZT薄膜晶体结构的影响,调节并优化实验工艺参数。研究表明,当溅射气氛为Ar/O2=32:8,溅射气压为1.2 Pa,沉积温度为700℃,降温速率为7～8℃/min时,在LNO/STO衬底上可实现BZT薄膜的（00l）高度择优取向生长。（2）基于优化的制膜工艺条件,分别探索了薄膜厚度、基底材料、底电极材料和锆含量对BZT铁电薄膜的微观结构和电学性能的影响。研究表明,膜厚对于在LNO/STO衬底上生长的BZT薄膜的晶体取向无影响,均为（00l）高度择优取向,但随着膜厚的增加,BZT薄膜的结晶性越好,且电学性能增强;在Si基底上生长的BZT薄膜为（00l）择优取向,与BZT/LNO/STO异质结构相比,其介电常数较小,且电滞回线接近于一条线性的细长曲线;在SRO或LNO底电极上生长的BZT薄膜为（00l）择优取向,然而在Pt底电极上生长的BZT薄膜为多晶取向,其中BZT/Pt/STO异质结构的介电常数较大,且剩余极化强度（Pr）约为4.8μC/cm~2;在LNO/STO衬底上分别沉积BTO薄膜和BZT-20薄膜,相比于BTO薄膜,BZT-20薄膜的（00l）衍射峰明显左移且介电性能更好。（3）研究STO基底取向对BZT铁电薄膜取向生长和电学性能的影响。结果显示,以LNO为底电极,不同取向的STO基底强烈控制着LNO底电极和BZT薄膜的高度择优取向生长。其中（110）取向生长的BZT薄膜的介电常数最大,（001）取向生长的BZT薄膜的介电常数最小,同时（001）取向生长的BZT薄膜的储能效率可达92.2%。此外,以（100）-STO为基底材料,分析Pt底电极织构取向对BZT薄膜的影响。研究表明,底电极Pt的沉积温度影响着Pt的织构取向。在200℃和500℃时,底电极Pt表现为（111）择优取向,而在800℃时,底电极Pt表现为（200）择优取向。在Pt底电极上生长的BZT薄膜均为多晶结构,其中BZT/Pt（200℃）/STO异质结构的介电常数最大,BZT/Pt（800℃）/STO异质结构的储能效率最高。
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