第七章 其它薄膜材料

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1、铁电薄膜材料及其应用铁电体是一类具有自发极化的介电晶体,且其极化方向可以因外电场方向反向而反向。存在自发极化是铁电晶体的根本性质,它来源于晶体的晶胞中存在的不重合的正负电荷所形成的电偶极矩。具有铁电性,且厚度在数十纳米至数微米的薄膜材料,叫铁电薄膜。°从二十世纪八十年代以来,铁电材料的研究主要集中于铁电薄膜及异质结构、聚合物铁电复合材料、铁电液晶等方面。°目前,由铁电薄膜与Si半导体集成技术相结合而发展起来的集成铁电学(IntegratedFerroelectrics)及相关集成铁电器件的研究,已成为铁电学研究中最活跃的领域之一,亦在信息科学技术领域中显示出诱人

2、的应用前景,受到了材料物理、凝聚态物理、陶瓷学、微电子学和信息科学等领域中众多学者的关注。图1铁电体电滞回线示意图铁电体的基本性质°铁电体的基本性质就是铁电体的极化方向随外电场方向反向而反向。°极化强度与外电场的关系曲线如图1所示,此曲线即电滞回线(hysteresisloop)。图中P是饱和极化强度,P是剩余极化强sAr度,E是矫顽场。C铁电体的基本性质°由于晶体结构与温度有密切的关系,所以铁电性通常只存在于一定的温度范围内。当温度超过某一特定的值时,晶体由铁电(ferroelectric)相转变为顺电(paraelectric)相,即发生铁电相变,自发极化消

3、失,没有铁电性。°这一特定温度T称为居里温度或居里点c(CurieTemperature)。铁电体的基本性质°在居里点附近铁电体的介电性质、弹性性质、光学性质和热学性质等,都要出现反常现象,即具有临界特性。°在T时,介电系数、压电系数、弹性柔顺系c数、比热和线性电光系数急剧增大。°例如:大多数铁电晶体,在T时介电常数可c达104~105,这种现象称为铁电体在临界温度附近的“介电反常”。铁电体的基本性质°当温度高于T时,介电系数与温度的关系服从居c里-外斯定律(Curie-WeissLaw):ε=c()T−T0°式中,c为居里常数(Curieconstant),T

4、为绝对温度,T为顺电居里温度,或称为居里-外斯o温度,它是使ε→∞时的温度。对于二级相变铁电体,T=T,对于一级相变铁电体T

5、半导体工艺兼容的集成铁电器件成为可能,大大推进了铁电薄膜制备与应用研究的发展。铁电薄膜的制备技术°铁电薄膜制备工艺主要有以下四种,表1给出这四种主要制膜技术的发展现状。⑴溅射法⑵MOCVD技术⑶Sol-Gel法⑷PLD法表1铁电薄膜四种主要制备技术的对比项目溅射法PLD法MOCVD法Sol-Gel法附着力很好好好好复杂化合物沉积不好很好不好好沉积速率一般好好一般均匀性好好很好很好显微结构好好好很好化学计量比控制较好好很好很好退火温度低较低较低较高掺杂难度困难一般容易容易厚度控制容易容易容易困难重复性一般较好好好沉积外延膜好好好一般工艺开发要求一般一般较高一般设备

6、耗资较大较大一般较少扩大规模的难度和成本较高一般较少较少铁电薄膜的物理性能及其表征薄膜物化结构性能表征主要包括三个方面:°薄膜的组分,组分沿薄膜表面和纵向的分布,以及薄膜中各组元的化学价态;°薄膜的结晶学性能,包括晶体结构与取向,晶格常数及其随温度的变化等;°薄膜的形貌与显微结构,包括晶界、畴界和电畴的取向等。①组分与价态分析°分析薄膜的组分及组分的分布,大多采用能谱分析。通常采用的能谱技术是基于电子的能谱,如电子探针微区分析(EPMA)、X射线光电子能谱(XPS)、俄歇电子电子能谱(AES)以及基于质子的能谱,如二次离子质谱(SIMS)、卢瑟福背散射谱(RBS

7、)等。°通过这些能谱技术,不仅可以对薄膜的成分进行定性或定量的分析,还可对薄膜的成分(包括杂质)进行微区分析、表面均匀分析和断面(纵向)均匀分析。②结晶学性能分析铁电薄膜的结晶学性能分析的内容包括:°相分析,如是单相还是复相,是钙钛矿相还是焦绿石相,是非晶、多晶还是单晶,晶格常数及其随温度的变化等;°取向分析,即分析多晶铁电薄膜是随机取向,还是沿某些特定的晶轴方向有选择的取向。如需要制备单晶薄膜,首先要确定薄膜是否是单晶结构,并确定薄膜与衬底之间的外延关系。②结晶学性能分析结晶学性能分析采用的主要技术是衍射技术,包括°X射线衍射(XRD)°电子衍射,特别是反射式

8、高能电子衍射(RHEED

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1、铁电薄膜材料及其应用铁电体是一类具有自发极化的介电晶体,且其极化方向可以因外电场方向反向而反向。存在自发极化是铁电晶体的根本性质,它来源于晶体的晶胞中存在的不重合的正负电荷所形成的电偶极矩。具有铁电性,且厚度在数十纳米至数微米的薄膜材料,叫铁电薄膜。°从二十世纪八十年代以来,铁电材料的研究主要集中于铁电薄膜及异质结构、聚合物铁电复合材料、铁电液晶等方面。°目前,由铁电薄膜与Si半导体集成技术相结合而发展起来的集成铁电学(IntegratedFerroelectrics)及相关集成铁电器件的研究,已成为铁电学研究中最活跃的领域之一,亦在信息科学技术领域中显示出诱人

2、的应用前景,受到了材料物理、凝聚态物理、陶瓷学、微电子学和信息科学等领域中众多学者的关注。图1铁电体电滞回线示意图铁电体的基本性质°铁电体的基本性质就是铁电体的极化方向随外电场方向反向而反向。°极化强度与外电场的关系曲线如图1所示,此曲线即电滞回线(hysteresisloop)。图中P是饱和极化强度,P是剩余极化强sAr度,E是矫顽场。C铁电体的基本性质°由于晶体结构与温度有密切的关系,所以铁电性通常只存在于一定的温度范围内。当温度超过某一特定的值时,晶体由铁电(ferroelectric)相转变为顺电(paraelectric)相,即发生铁电相变,自发极化消

3、失,没有铁电性。°这一特定温度T称为居里温度或居里点c(CurieTemperature)。铁电体的基本性质°在居里点附近铁电体的介电性质、弹性性质、光学性质和热学性质等,都要出现反常现象,即具有临界特性。°在T时,介电系数、压电系数、弹性柔顺系c数、比热和线性电光系数急剧增大。°例如:大多数铁电晶体,在T时介电常数可c达104~105,这种现象称为铁电体在临界温度附近的“介电反常”。铁电体的基本性质°当温度高于T时,介电系数与温度的关系服从居c里-外斯定律(Curie-WeissLaw):ε=c()T−T0°式中,c为居里常数(Curieconstant),T

4、为绝对温度,T为顺电居里温度,或称为居里-外斯o温度,它是使ε→∞时的温度。对于二级相变铁电体,T=T,对于一级相变铁电体T

5、半导体工艺兼容的集成铁电器件成为可能,大大推进了铁电薄膜制备与应用研究的发展。铁电薄膜的制备技术°铁电薄膜制备工艺主要有以下四种,表1给出这四种主要制膜技术的发展现状。⑴溅射法⑵MOCVD技术⑶Sol-Gel法⑷PLD法表1铁电薄膜四种主要制备技术的对比项目溅射法PLD法MOCVD法Sol-Gel法附着力很好好好好复杂化合物沉积不好很好不好好沉积速率一般好好一般均匀性好好很好很好显微结构好好好很好化学计量比控制较好好很好很好退火温度低较低较低较高掺杂难度困难一般容易容易厚度控制容易容易容易困难重复性一般较好好好沉积外延膜好好好一般工艺开发要求一般一般较高一般设备

6、耗资较大较大一般较少扩大规模的难度和成本较高一般较少较少铁电薄膜的物理性能及其表征薄膜物化结构性能表征主要包括三个方面:°薄膜的组分,组分沿薄膜表面和纵向的分布,以及薄膜中各组元的化学价态;°薄膜的结晶学性能,包括晶体结构与取向,晶格常数及其随温度的变化等;°薄膜的形貌与显微结构,包括晶界、畴界和电畴的取向等。①组分与价态分析°分析薄膜的组分及组分的分布,大多采用能谱分析。通常采用的能谱技术是基于电子的能谱,如电子探针微区分析(EPMA)、X射线光电子能谱(XPS)、俄歇电子电子能谱(AES)以及基于质子的能谱,如二次离子质谱(SIMS)、卢瑟福背散射谱(RBS

7、)等。°通过这些能谱技术,不仅可以对薄膜的成分进行定性或定量的分析,还可对薄膜的成分(包括杂质)进行微区分析、表面均匀分析和断面(纵向)均匀分析。②结晶学性能分析铁电薄膜的结晶学性能分析的内容包括:°相分析,如是单相还是复相,是钙钛矿相还是焦绿石相,是非晶、多晶还是单晶,晶格常数及其随温度的变化等;°取向分析,即分析多晶铁电薄膜是随机取向,还是沿某些特定的晶轴方向有选择的取向。如需要制备单晶薄膜,首先要确定薄膜是否是单晶结构,并确定薄膜与衬底之间的外延关系。②结晶学性能分析结晶学性能分析采用的主要技术是衍射技术,包括°X射线衍射(XRD)°电子衍射,特别是反射式

8、高能电子衍射(RHEED

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