铁电薄膜表面与界面特性的扫描力显微镜研究

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1、摘要铁电薄膜由于其特有的极化效应己在多个领域得到广泛应用，因此有必要深入研究铁电薄膜的表面及界面纳米尺度的基础特性。本论文利用扫描力显微镜研究了铁电薄膜表面与界面的电势及电畴等微区性质。研究内容包括实验仪器的可靠性验证和参数优化，铁电薄膜表面电荷沉积的非对称现象的发现和理论阐述，表面沉积电荷弛豫特性的监测，以及铁电薄膜界面的扫描力显微镜观测方法和界面物理特性的可视化研究。本工作主要从表面电势的角度出发，利用开尔文力显微镜研究铁电薄膜的表面特性。在实验仪器的验证方面，选用集成电路芯片测试单元中的埋置条形电阻作为检测对象，在

2、电阻两端外加直流偏压后检测电阻的电势分布，在已知电阻上电势分布的前提下，验证了开尔文力显微镜检测微区表面电势的可靠性。为了优化仪器的检测灵敏度和稳定性，选用氧化锌薄膜上的znO／si台阶作为测试对象，检测了znO／si的接触电势差；通过改变仪器系统参数，发现针尖一样品距离和扫描速度对接触电势差的检测结果影响显著。选用典型的铁电材料一Pb(zro55Tio45)03(PzT)薄膜作为研究对象，在大气条件下利用扫描力显微镜的导电针尖以施加脉冲电压的方式在PzT薄膜表面沉积不同符号和强度的电荷点，再以开尔文力显微镜检测沉积电荷

3、后薄膜表面的电势分布，发现在脉冲电压为一10v～10v的范围内，负脉冲沉积的电荷电势强度均大于相应的正脉冲沉积的电荷的电势强度，这种现象我们称为表面电荷的非对称沉积；当薄膜发生极化反转后，电荷沉积的非对称现象显著增强。研究发现PzT薄膜表面的电荷沉积与薄膜一底电极界面层内部的界面电场存在密切联系，由此我们建立了一个界面电场模型，定性地解释了PzT薄膜表面电荷沉积的非对称现象。其次，实现了铁电薄膜表面电荷的高密度存储，并研究了PzT和srBi2T赴09(sBT)薄膜表面的沉积电荷的弛豫性能，发现PzT薄膜的表面电荷存储性能

4、优于SrBi2Ta209(sBT)薄膜。摘要实现了铁电薄膜界面的扫描力显微镜可视化研究，利用自然断裂、研磨抛光以及透射电镜的断面制样方法制备观测所需的断面样品。在检测方法上，设计了适用于扫描力显微镜观测薄膜断面样品的样品台，该样品台用于承载断面样品，并可调控改善针尖一样品电场；针对厚度极小的铁电薄膜，提出了薄膜断面的定位方法，实现了薄膜一底电极一基片各层的准确定位。在此基础上，利用扫描力显微镜的多种模式检测了铁电薄膜断面的物理信息，并实现了PZT薄膜断面电畴的可视化研究。关键词：扫描力显微镜，铁电薄膜，表面电势，界面可视

5、化AbstractStrongcouplingbetweenelectricalandmechanicalproperciesinferroelectricmaterialsanddevicesenabletlleirwidespreadapplication．AchieVingthefullpotemialofferroelectricthinfilmsnecessitatesfundaInentalknowledgeofsurfaceandinterf如epropeniesoffermelectricthinfilm

6、son廿lenanoscaleleVel．Inthisthesis，ScanningForceMicroscopy(SFM)wasusedtostudythenaIloscaleelectricphenomenaofthesurfaceaIldinterfacepr叩eniesoffeⅡoelectric也infilms．TheexperimentalsetIlpwascalibratedbymeaSuringpotentialdistributionofthe、vorkingfesistanceofintegrated

7、cllip．Tbachieveaccuratedetectionofsuff犯epotential，themeasurememofthecontactpote曲aldi髓renceofmeZnO／Sistep啪salsoca玎icd0ut．Polarization—relatedSurfacepropertiesoff色HDelectrictllinfilmsWereinvestigatedbyKelvinProbeForceMicmscopy(KPFM)，leadingtothediscoveryofasymmetri

8、cchargewritingonthesurfaceofPb(zoo55Tjo45)03(PZT)thinmm．Itisfoundthatthesurfacepotentialofthenegativechargebitsarehighermanthoseofthecorresporldingpositiveones