BST類鐵電薄膜生長機(jī)理與應(yīng)力調(diào)制研究.pdf

1、BaxSr1-xTiO3(0≤x≤1)類鈣鈦礦型鐵電薄膜因其獨(dú)特的物理特性和寬廣的應(yīng)用前景受到了物理和材料學(xué)家們的廣泛關(guān)注，成為近年來鐵電學(xué)研究最具吸引力的熱點(diǎn)問題。然而對于這類結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多元氧化物薄膜而言，其晶格結(jié)構(gòu)和特性比一般的二元氧化物薄膜，單元素的金屬或半導(dǎo)體薄膜要復(fù)雜得多，因此無論是理論研究還是高質(zhì)量薄膜的制備都受到一定的制約，一些重要的物理現(xiàn)象和機(jī)理仍不清楚，尤其是在薄膜的生長機(jī)理，生長動力學(xué)以及表面微觀結(jié)構(gòu)控制的研究中存在

2、一些亟待解決的問題，而當(dāng)薄膜的厚度降低到納米尺度以后這些問題更加突出，在一定程度上阻礙了鐵電薄膜器件的快速發(fā)展。 本論文以BST類薄膜作為研究對象，從實(shí)驗(yàn)入手對材料的生長工藝、生長動力學(xué)過程、生長機(jī)理以及表面微結(jié)構(gòu)控制做了大量探索性、創(chuàng)新性工作，并在此基礎(chǔ)上對這些問題的內(nèi)在物理機(jī)制做了較為深入的研究和探討，主要內(nèi)容如下： 1.BST類薄膜生長的模式控制與動力學(xué)研究 (1)利用激光分子束外延技術(shù)，通過多種分析表征手

3、段確定BST類鐵電薄膜的層狀，層島混合，島狀生長模式，發(fā)現(xiàn)生長溫度是影響薄膜生長過程中ES擴(kuò)散勢壘的主要因素，而擴(kuò)散勢壘和沉積速率的變化決定了生長模式的改變，即在高溫、低沉積速率時(shí)，薄膜主要以二維層狀模式進(jìn)行生長，而在低溫、高積速率下，薄膜則以三維島狀模式生長為主，從二維模式生長向三維模式生長的過渡則表現(xiàn)為層島混合生長模式。優(yōu)化薄膜的生長條件，利用反射式高能電子衍射，通過衍射強(qiáng)度振蕩曲線及衍射圖樣，實(shí)現(xiàn)對BST類薄膜生長模式的控制，首次

4、繪制出SrTiO3，BaTiO3薄膜生長模式圖譜。 (2)確定了BST鐵電薄膜的動態(tài)和靜態(tài)最低晶化溫度，首次發(fā)現(xiàn)SrTiO3，BaTiO3，Ba0.5Sr0.5TiO3三種鐵電薄膜可以分別在280℃、330℃、340℃的低溫下實(shí)現(xiàn)外延層狀生長，同時(shí)建立了BST類鐵電薄膜的低溫生長動力學(xué)模型。 2.BST類薄膜原胞生長的動力學(xué)過程與機(jī)理研究 (1)利用反射式高能電子衍射研究了BST類薄膜表面擴(kuò)散過程，通過Arreh

5、enius模型測量計(jì)算了薄膜的表面活化能，沉積粒子在表面的有效擴(kuò)散率。 (2)利用X射線衍射、原子力顯微鏡，發(fā)現(xiàn)BST/Si(111)薄膜的多原胞生長現(xiàn)象，即薄膜以BaTiO3原胞為生長單元在表面成核、擴(kuò)散運(yùn)動、結(jié)合生長，在沉積速率很高時(shí)，原胞“自我復(fù)制”的能力較大，薄膜每一個(gè)單層由多個(gè)原胞相互上下排列疊加構(gòu)成，即多原胞單層生長模式；當(dāng)沉積速率逐漸較小，形成多個(gè)晶胞團(tuán)簇的能力逐漸降低，最終導(dǎo)致1個(gè)原胞即可獨(dú)立構(gòu)成一個(gè)薄膜單層，即

6、單原胞單層生長模式。 (3)在大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)基礎(chǔ)上，首次提出了BST類薄膜原胞生長動力學(xué)模型，即BST類薄膜生長(在基片表面成核、擴(kuò)散運(yùn)動、結(jié)合生長)的主要單元是以Ti-O八面體為主體的單原胞。針對多元氧化物原子團(tuán)簇的形成機(jī)理和動力學(xué)過程，分析了激光等離子體中各粒子間主要的氧化反應(yīng)通道，建立非平衡條件下BST單原胞形成的動力學(xué)唯象模型，進(jìn)一步從微觀上研究了BST類薄膜的生長機(jī)理。 3.BST薄膜異質(zhì)外延生長與應(yīng)力釋放

7、 (1)利用RHEED研究了SrTiO3/LaAlO3(100)薄膜生長過程中應(yīng)力釋放的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在薄膜材料生長的初期，薄膜層晶體以贗晶結(jié)構(gòu)在襯底表面呈穩(wěn)定的二維層狀生長。當(dāng)薄膜厚度超過臨界厚度后，彈性應(yīng)變以形成失配位錯(cuò)的形式得到釋放，薄膜應(yīng)變釋放的整個(gè)過程是由整個(gè)系統(tǒng)的表面能、應(yīng)變能和位錯(cuò)能共同決定。 (2)通過對比臨界厚度的理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)值與經(jīng)典彈性應(yīng)變理論值符合較好，但仍有一定的差異，這是由于理論計(jì)算

8、時(shí)沒有考慮生長溫度以及釋放應(yīng)變形成位錯(cuò)時(shí)動力學(xué)勢壘的影響。實(shí)際上在生長溫度較低時(shí)，位錯(cuò)的移動性很小，能夠提供給位錯(cuò)移動的熱動能很小，不足以提供足夠的能量驅(qū)動位錯(cuò)克服動力學(xué)勢壘進(jìn)行遷移，最終導(dǎo)致薄膜中的應(yīng)變釋放速度很小，應(yīng)變完全釋放厚度很大，薄膜表面結(jié)構(gòu)成應(yīng)變島狀；而在高的生長溫度下，驅(qū)動位錯(cuò)跳躍動力學(xué)勢壘的能量增加，位錯(cuò)能夠不斷的形成和快速的移動，應(yīng)變完全釋放厚度越小，薄膜表面容易形成面內(nèi)織構(gòu)，從而很快的釋放薄膜中的應(yīng)力。 4.

9、BST類薄膜自組織生長與應(yīng)力調(diào)制作用 (1)系統(tǒng)研究了不同應(yīng)力狀態(tài)下薄膜異質(zhì)外延生長的動力學(xué)過程以及兩種不同性質(zhì)的應(yīng)力對薄膜結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)了異質(zhì)外延生長過程中的非對稱生長現(xiàn)象，即張應(yīng)力通過改變薄膜晶胞參數(shù)，逐層釋放應(yīng)變，壓應(yīng)力通過改變薄膜表面結(jié)構(gòu)來逐漸釋放。利用這種非對稱生長實(shí)現(xiàn)了BST類薄膜有序、周期性的自組織生長，建立了形成有序的周期性納米結(jié)構(gòu)的生長模型，提出了利用這種特殊的納米結(jié)構(gòu)作為模板來構(gòu)造鐵電(多元氧化物)量子線的