bst类铁电薄膜生长机理与应力调制分析

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1、优秀毕业论文摘要Ba。S‘l。Ti03(O_

2、以BST类薄膜作为研究对象，从实验入手对材料的生长工艺、生长动力学过程、生长机理以及表面微结构控制做了大量探索性、创新性工作，并在此基础上对这些问题的内在物理机制做了较为深入的研究和探讨，主要内容如下：1．BST类薄膜生长的模式控制与动力学研究(1)利用激光分子束外延技术，通过多种分析表征手段确定BST类铁电薄膜的层状，层岛混合，岛状生长模式，发现生长温度是影响薄膜生长过程中ES扩散势垒的主要因素，而扩散势垒和沉积速率的变化决定了生长模式的改变，即在高温、低沉积速率时，薄膜主要以二维层状模式进行生长，而在低温、高积速率下，薄膜则以三维岛状模式生长为主，从二维模式生长向三维

3、模式生长的过渡则表现为层岛混合生长模式。优化薄膜的生长条件，利用反射式高能电子衍射，通过衍射强度振荡曲线及衍射图样，实现对BST类薄膜生长模式的控制，首次绘制出SrTi03，BaTi03薄膜生长模式图谱。(2)确定了BST铁电薄膜的动态和静态最低晶化温度，首次发现SrTi03，BaTi03，Bao5Sro5Ti03三种铁电薄膜可以分别在280℃、330℃、340"C的低温下实现外延层状生长，同时建立了BST类铁电薄膜的低温生长动力学模型。2．BST类薄膜原胞生长的动力学过程与机理研究(1)利用反射式高能电子衍射研究了BST类薄膜表面扩散过程，通过Arrehenius模型测

4、量计算了薄膜的表面活化能，沉积粒子在表面的有效扩散率。(2)利用X射线衍射、原子力显微镜，发现BST／Si(111)薄膜的多原胞生长现象，即薄膜以BaTi03原胞为生长单元在表面成核、扩散运动、结合生长，在沉积速率很高时，原胞“自我复制”的能力较大，薄膜每一个单层由多个原胞相互精品参考文献资料优秀毕业论文上下排列叠加构成，即多原胞单层生长模式；当沉积速率逐渐较小，形成多个晶胞团簇的能力逐渐降低，最终导致1个原胞即可独立构成一个薄膜单层，即单原胞单层生长模式。(3)在大量的实验事实基础上，首次提出了BST类薄膜原胞生长动力学模型，即BST类薄膜生长(在基片表面成核、扩散运动

5、、结合生长)的主要单元是以Ti-O八面体为主体的单原胞。针对多元氧化物原子团簇的形成机理和动力学过程，分析了激光等离子体中各粒子闯主要的氧化反应通道，建立非平衡条件下BST单原胞形成的动力学唯象模型，进一步从微观上研究了BST类薄膜的生长机理。3．BST薄膜异质外延生长与应力释放(1)利用RHEED研究了SrTi03／LaAl03(100)薄膜生长过程中应力释放的变化规律，发现在薄膜材料生长的初期。薄膜层晶体以赝晶结构在村底表面呈稳定的二维层状生长。当薄膜厚度超过临界厚度后，弹性应变以形成失配位错的形式得到释放，薄膜应变释放的整个过程是由整个系统的表面能、应变能和位错能共

6、同决定。(2)通过对比临界厚度的理论计算与实验结果，发现实验值与经典弹性应变理论值符合较好，但仍有一定的差异，这是由于理论计算时没有考虑生长温度以及释放应变形成位错时动力学势垒的影响。实际上在生长温度较低时，位错的移动性很小，能够提供给位错移动的热动能很小，不足以提供足够的能量驱动位错克服动力学势垒进行迁移，最终导致薄膜中的应变释放速度很小，应变完全释放厚度很大。薄膜表面结构成应变岛状；而在高的生长温度下，驱动位错跳跃动力学势垒的能量增加，位错能够不断的形成和快速的移动，应变完全释放厚度越小，薄膜表面容易形成面内织构，从而很快的释放薄膜中的应力。4．BST类薄膜自组织生长

7、与应力调制作用(1)系统研究了不同应力状态下薄膜异质外延生长的动力学过程以及两种不同性质的应力对薄膜结构的影响，发现了异质外延生长过程中的非对称生长现象，即张应力通过改变薄膜晶胞参数，逐层释放应变压应力通过改变薄膜表面结构来逐渐释放。利用这种非对称生长实现了BST类薄膜有序、周期性的自组织生长，建立了形成有序的周期性纳米结构的生长模型，提出了利用这种特殊的纳米结构作为模板来构造铁电(多元氧化物)量子线的研究思路。上述研究结果发表在J．App}．Phys．，J．Vac．Sci．Techn01．B，J．CrystalGrowth，