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二钛酸钡（BaTi2O5）是近年来发展起来的一种新型无铅铁电材料，但目前对其研究主要集中在块体特别是单晶材料的制备与性能上，为满足铁电器件小型化、集成化发展的需求，需要进一步进行 BaTi2O5薄膜的研制。为此，论文以新型无铅 BaTi2O5薄膜的制备、结构控制及其性能研究为目标，采用脉冲激光沉积（Pulsed Laser Deposition，PLD）技术制备 BaTi2O5薄膜，以期为新一代存储器和光电子器件等的应用提供一种环境友好、性能优良的铁电新材料。
高质量的陶瓷靶材是利用 PLD技术制备 BaTi2O5薄膜的前提。针对 BaTi2O5的相分解和常规方法难以得到大尺寸靶材的问题，论文首先提出采用电弧熔炼技术结合热压烧结方法制备物相单一、高致密度、大尺寸的 BaTi2O5陶瓷。以BaCO3和 TiO2微粉为原料，采用非平衡电弧熔炼技术，利用其高温熔炼、快速冷凝的特点抑制 BaTi2O5的相分解，获得了物相单一的 BaTi2O5粉体。在此基础上，采用真空热压烧结技术对电弧熔炼的 BaTi2O5粉体进行烧结致密化。重点研究了烧结工艺对其物相、结构和致密度的影响，通过提高烧结温度和压力增大了 BaTi2O5陶瓷的烧结致密度，适宜的制备条件为1473K-50MPa-2h。再将BaTi2O5陶瓷经高温退火处理（1273K-10h）后，得到了物相单一、结晶良好、致密度较高（88.6％）的BaTi2O5陶瓷靶材，满足了 BaTi2O5薄膜的制备需求。
由于 BaTi2O5的高介电常数和铁电性都只表现在 b轴方向上，如何获得具有 b轴择优取向的 BaTi2O5薄膜是实现其应用的关键。以 BaTi2O5陶瓷为靶材，采用脉冲激光沉积技术在 MgO（100）衬底上制备 BaTi2O5薄膜，重点研究了激光能量密度、氧分压、衬底温度等沉积参数对薄膜生长及其结构的影响。结果表明：随着脉冲激光能量的降低，BaTi2O5薄膜的结晶取向逐渐由（710）向（020）变化，且其表面形貌从一种无规律、松散的结构转变为棒状交叉的致密结构；随着衬底温度（Tsub）的升高，薄膜的择优取向逐渐由（710）向（020）变化，而且结晶性变好，晶粒间结合更紧密；氧分压（PO2）也对 BaTi2O5薄膜的结晶取向、结晶度、表面形貌和粗糙度有显著的影响。适宜的 PLD沉积条件为：激光能量密度2J/c㎡，Tsub=973K，PO2=12.5Pa，在该条件下得到的 BaTi2O5薄膜物相单一，沿 b轴方向择优生长，晶粒结晶良好，呈棒状交叉分布，结合紧密，薄膜表面平整，Ti/Ba比接近化学计量比。
利用反射式高能电子衍射系统（Reflective High Energy Electron Diffraction，RHEED）对 b轴择优取向 BaTi2O5薄膜在 MgO（100）衬底上的生长过程进行监测，得到了清晰的条形衍射图谱，说明薄膜表面平整，为层状生长模式。X射线极图进一步表明 BaTi2O5薄膜在 MgO衬底上外延生长，二者之间的外延关系为：BaTi2O5（020）[100]//MgO（100）[001]和 BaTi2O5（020）[100]//MgO（100）[010]，这主要与 BaTi2O5薄膜和 MgO衬底的良好晶格匹配性有关。
为与半导体工艺相兼容，论文还开展了硅基 BaTi2O5薄膜的制备研究。首先，以 MgO陶瓷为靶材，采用脉冲激光沉积技术，在 Si（100）单晶衬底上制备MgO薄膜，研究了沉积参数对薄膜的结晶取向、结晶度、表面形貌和粗糙度的影响，确定了适宜的沉积条件为：激光能量密度3.5J/c㎡，衬底温度673K，真空环境。在该条件下获得了（100）择优取向、表面平整、致密的 MgO薄膜，可作为缓冲层材料进一步用于制备 b轴方向择优生长的 BaTi2O5薄膜。随后，利用脉冲激光沉积技术，通过在 Si（100）单晶衬底上构筑与 BaTi2O5相匹配的MgO（100）薄膜缓冲层，成功获得了 b轴方向择优生长的 BaTi2O5薄膜，制备的BaTi2O5（020）/MgO（100）/Si（100）薄膜表面平整，晶粒间结合紧密，BaTi2O5薄膜、MgO缓冲层与 Si衬底之间结合紧密，界面清晰，各层厚度均匀，满足了半导体工业对硅基 BaTi2O5薄膜的需求。
最后，对 BaTi2O5薄膜的介电、铁电和光学等性能进行了测试和表征。在可见光和红外波长范围内，b轴方向择优生长的 BaTi2O5薄膜具有较高的光学透过率（～70％），其吸收边在282nm，能带隙为3.56eV。随测试温度的升高，薄膜的电阻率逐渐下降，其导电活化能约为1.25eV。薄膜具有较高的居里温度（Tc≈750K），在居里温度点附近的介电常数很高（100kHz下其介电常数达2000），且在较高温度下表现出明显的电滞回线，573K时的剩余极化强度（2Pr）为14.2μC/c㎡，矫顽场强（2Ec）为11.4kV/㎝。而（710）择优取向的 BaTi2O5薄膜在整个温度测试范围内的介电常数都比较低，而且无明显铁电性。