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随着微电子产业的发展,器件尺寸日趋微型化。例如,目前铁电氧化物薄膜的应用环境已经达到亚微米尺度,并飞速地向深亚微米尺度、纳米尺度发展。然而随着薄膜厚度的减小,其介电、铁电性能严重“退化”,主要表现为介电常数变小,漏电流增大,薄膜热稳定性降低,从而极大地影响了铁电薄膜的实际应用。近年来的研究结果表明,“退化”的根本原因在于近界面的低介电常数层,通常称之为“死层”(Dead Layer)。但是,由于界面表征的难度以及界面组分的复杂性,使得“死层”的许多问题还需要进一步的研究。本文以钛酸锶钡(BST)体系为研究对象,重点研究了BST薄膜/Pt电极界面晶格点阵结构、原子结合能及微结构演化过程。能谱表征揭示了在BST薄膜内部存在2种不同结合能的相:低结合能的α相和高结合能的β相,其中α相称为“类钙钛矿相”,β相称为“非钙钛矿相”。进一步的研究表明,在薄膜的外表面是α相和β相的混合态;随着探测深度的增加,α相含量逐渐减少,β相含量逐渐升高;在界面处α相基本消失,β相占主导地位。通过晶格动力学分析表明,由于界面处BST和Pt晶格失配产生了应力应变,这种晶格异变导致该处原子结合能升高,促进了界面处β相的生长,使得β相在界面处占据主导地位。β相原子层在薄膜生长过程中应力应变的扮演了缓冲层的角色。
除了界面层的研究外,铁电材料的相变是该类材料研究的另一个重点。随着薄膜材料的兴起,研究人员发现薄膜材料的相变出现了与经典块体材料理论相违背的地方,比如当温度高于居里转变温度时,一些一级拉曼峰仍然存在,同时一些峰出现在经典理论计算的“禁区”。仍然以钛酸锶钡(BST)体系为研究对象,通过调节氧分压(20,50,75,100 Pa),制备了4组BST/Pt结晶良好的薄膜。结果表明:随着氧分压的增大,晶粒生长取向从有序变为无序,同时薄膜的晶粒尺寸变小,表面粗糙程度增加;而由于晶粒尺寸变小,晶界增加,晶粒间的压力增大促使Ti离子振动无序度增加,导致立方相的拉曼谱中出现了一级拉曼峰,同时出现了无序峰,并且这种无序相的增加还导致了居里转变温度的降低。